二氧化碳高效电催化还原研究取得新进展

近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室包信和、王国雄团队在二氧化碳高效电催化还原研究中取得新进展。相关成果已发表在Energy Environ.Sci上。

二氧化碳电催化还原（CO2RR）可同时实现二氧化碳的转化利用和可再生清洁电能的高效储存，有利于构建可持续的碳资源循环网络。近年来，研究团队从催化角度对CO2电催化还原进行了独特而深入的系统研究，在纳米Pd基催化剂、金属-氧化物界面等方面取得了一系列研究成果，显著提高了CO2电催化还原的选择性、活性和稳定性（J. Am. Chem. Soc., Chem. Sci., J. Am. Chem. Soc., ACS Catal., Angew. Chem. Int. Ed.）。

过渡金属-氮-碳复合材料是一种有望替代贵金属的电催化材料，研究团队近期重点研究了该类材料的可控制备及其电催化性能（Energy Environ.Sci., Nano Energy, ACS Catal.）。前期研究表明，过渡金属-氮-碳复合材料可以通过电催化还原反应将CO2还原为CO，但随着过电位的升高，竞争性析氢反应（HER）电流急剧增加，导致CO法拉第效率迅速下降，无法获得较高的CO电流密度。因此，同时实现较高的CO2RR电流密度和法拉第效率是过渡金属-氮-碳复合材料面临的重要挑战。

本研究通过热解锌/镍双金属沸石咪唑骨架（ZIF-8）成功制备出单分散的Ni-N掺杂多孔碳材料，Ni物种负载量高达5.44wt%。在此Ni-N催化剂上，在-0.53V至-1.03V（vs. RHE）的宽电位范围内，CO法拉第效率保持在92.0%~98.0%之间，CO电流密度随过电位的增加而增大，在-1.03 V（vs. RHE）达到71.5±2.9 mA/cm 2 。表征结果与对比实验表明，配位不饱和的Ni-N为活性位；密度泛函理论计算进一步揭示CO2RR在NiN2V2（V代表空位）位置发生的可能性比HER大，推测NiN2V2可能是CO2RR的活性位。因此，不饱和Ni-N活性位点的高负载配位同时实现了CO2RR的高电流密度和法拉第效率，突破了过渡金属-氮-碳复合材料对CO2RR选择性和反应速率的"seesawboard"效应限制。

以上研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、DMTO项目和中科院先导计划项目的资助。