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胡勁松課題組揭示碳基納米催化劑電催化還原二氧化碳的活性機制
2020-03-01 | 编辑:lidan | 【 】【打印】【關閉

  利用可再生能源在溫和可控的條件下電催化還原轉化二氧化碳爲有用燃料和化學品是能源化學的重要前沿,具有廣闊的應用前景。其核心挑戰是開發高性能二氧化碳還原反應(CO2RR)的電催化劑,提高目標産物産率和實現高選擇性。 

  最近,在国家自然科学基金委、科技部和中國科學院的支持下胡勁松課題組在氮摻雜碳類CO2RR催化機制研究方面取得重要進展,發展了顯著提高其性能的新策略。氮摻雜碳基納米材料作爲廉價非金屬CO2RR催化劑備受關注,但因其結構複雜,難以精確控制,導致對其催化活性位點的認識仍存在較大爭議,催化性能也亟待大幅提升。利用結構明確的小分子作爲模型催化劑是明晰其催化機制的有效手段,但小分子自身的催化活性低,實驗誤差大,難以給出可信結果。研究人員發現將含氮小分子模型催化劑(酞菁(Pc)和四苯基卟啉(TPP),圖a與超小钴納米晶(圖b,c結合,可以顯著提升其催化CO2RR选择性(法拉第效率,圖d)和活性(电流密度,圖e)(-0.9 V下分別提升1847倍)。這種放大效應使利用模型小分子揭示氮摻雜碳類材料的催化机制成为可能。实验结果与理論計算表明CO2RR优先发生在吡啶氮而不是吡咯氮上(圖f-h);而且金屬態钴可以顯著降低吡啶氮上CO2RR决速步骤的能垒,从而提升其催化性能(圖i)。電化學實驗進一步證實含吡啶氮的酞菁分子催化CO2RR的活性和选择性都比只含吡咯氮的卟啉分子在相同氮含量下高出数倍(圖j)。這些結果揭示了氮摻雜碳類催化剂中吡啶型氮碳位點電催化還原CO2性能明顯高于吡咯氮摻雜碳位點,並且通過調控吡啶型氮碳位點電子結構可以顯著提升其催化活性與選擇性。該研究工作爲合理設計高效、低成本CO2RR碳基電催化劑提供了有益的參考,相關結果發表于德國應用化學(Angew. Chem. Int. Ed.2020, Doi: 10.1002/anie.201916520),並被選爲VIP論文。論文第一作者是博士生何超。 

 

  分子納米結構與納米技術院重點實驗室 

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