CO2电还原用氮掺杂碳基过渡金属单原子催化剂

温和条件下将CO₂电催化还原(CO₂RR)为高能量密度燃料和高附加值碳产品是降低大气中CO₂浓度、储存间歇性可再生能源、实现碳中和的重要途径之一。设计和开发对电催化CO₂RR兼具高活性、高选择性、高稳定性、且对析氢反应(HER)具有显著抑制作用的高性能廉价催化剂是CO₂RR研究的关键。单原子催化剂(SACs)由于其独特的电子结构和几何结构对许多重要化学反应(如CO氧化反应、加氢反应、析氧反应、氧还原反应、析氢反应等)显示出优异的催化活性而广受关注。近年来,N掺杂多孔碳载体过渡金属单原子催化材料(M-N-C)显示出对电化学二氧化碳还原的广阔前景、并有望成为在水相电解质中还原CO₂的贵金属(Au,Ag)催化剂的替代品。本文从单原子催化材料M-N-C的制备、影响电催化性能的因素及MN_x活性基团三个方向介绍了单原子催化剂M-N-C电催化CO₂RR的研究现状和进展。最后,就目前该方向研究中尚待解决的问题进行了总结、并对下一步的研究进行了展望。     

基于NiZn层状双金属氢氧化物制备高效电催化CO2还原的原子分散Ni-N-C催化剂(英文)

大气中CO₂浓度不断上升导致大量的环境问题,如冰川融化、温室效应、极端天气等,利用电化学方法将CO₂经还原反应(CO₂RR)转化为有价值的燃料或化学品是解决该问题的可行策略.由于CO₂具有稳定的化学键(C=O,806 kJ mol^-1),需设计具有优异活性和高选择性的催化剂.近年研究结果表明,过渡金属锚定在N掺杂碳载体上而制得的催化剂(M-N-C)具有较高的原子利用率、独特的活性金属中心电子结构以及存储量丰富,因而被认为是CO₂还原为CO的理想电催化剂.目前已经提出了多种方法来制备M-N-C催化剂,包括原子层沉积、基于金属-有机骨架的离子交换、基于载体修饰策略的吸附固化和受限热解.然而,这些方法存在制备过程繁琐或难以大规模生产的问题.同时,采用高温热解制备的M-N-C催化剂,金属活性位点易被其致密的结构包裹,难以完全暴露出来.但有效的活性位点对M-N-C的催化性能起着至关重要的作用,因此有必要研制一种简便、高效的方法来抑制金属原子聚集.超薄二维碳骨架已被证...     

单原子催化剂在电催化还原CO2领域的应用

温和条件下以CO₂为原料制备高附加值化学品, 是CO₂资源化利用的重要方法, 在众多CO₂转化方法中, 电催化CO₂还原(e-CO₂RR)具有绿色、 清洁及条件可控等优势, 可以促进碳中和, 实现可持续发展. 然而, 由于其缓慢的动力学和较低催化剂活性, CO₂电催化还原仍然存在低选择性, 低电流密度的问题. 单原子催化剂具有最大的原子利用率和明确定义的催化活性位点, 同时因其良好的配位结构和独特的电子结构极大地促进了CO₂电催化还原的动力学过程, 是CO₂电还原领域极具发展潜力的催化材料. 本文讨论了过渡金属和主族金属基单原子催化剂用于电催化CO₂还原的研究进展, 系统总结了杂原子配位, 双/单原子位点, 金属-载体相互作用, 空间限域和分子桥联等策略调控单原子的微环境进而优化催化的性能, 揭示了单原子催化剂在 e-CO₂RR领域内的突出优势和广阔的应用前景. 最后, 分析了单原子催化剂在CO₂电催化转化过程中面临的挑战, 并对其未来进行了展望.     

调控单位点M-N-C电催化剂的电子结构提升二氧化碳还原性能

全球的动力来源主要依靠化石能源,然而无节制地开采引起了一系列的能源危机和环境问题,例如,能源枯竭、气温逐年升高、气候恶化和海洋酸化等,这已经威胁了人类的可持续发展,因此寻找可再生能源和减缓二氧化碳的排放成为目前的关键问题,反应条件相对温和的电催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)可将CO₂转化为具有工业价值的产品,例如C1、C2和C2+,这是解决“碳中和”的一种有效措施。电催化CO₂RR是一个复杂的多个电子/质子转移过程,反应机理相对复杂,涉及很多反应中间体,影响产物的选择性,CO₂RR的大规模应用需要开发低成本和高效的电催化剂。具有大比表面积、100%的原子利用率、不饱和配位、相对均匀的活性位点的原子分散的金属和氮共掺杂碳(M-N-C)材料是一种很有前途的催化剂。M-N-C材料具有可调变性,通过调节中心金属离子或中心金属离子的配位环境,中心金属离子的电子性质和原子结构将会发生变化,这为设计具有高效催化CO₂性能的催化剂提供了新的途径。因此,探讨在原子水平上调控M-N-C材料的电子...     

B原子掺杂调控CuIn纳米合金电子结构以实现电化学CO2还原宽电位活性(英文)

杂原子掺杂可以调节电子结构以调整中间体吸附并优化反应路径,是设计高效CO₂还原反应(CO₂RR)催化剂的有应用前景的方法.B原子是常用的掺杂剂,引入B原子可以有效打破*COOH和OCHO*中间体的吉布斯自由能线性关系,并且可以通过与CO₂中O原子结合来增强CO₂吸附能力.B掺杂碳材料、单金属和金属氧化物的研究结果表明, B原子掺杂催化剂的CO₂RR活性和/或选择性有明显提高,然而多数报道的单个活性位点的B掺杂催化剂仅表现出在相对狭窄的电位范围内的CO₂RR高性能,设计制备CO₂RR的宽电位高选择性催化剂仍是巨大挑战.研究表明,合金化是提供多种类的活性位点相互协调和增强催化剂固有活性,进而改善CO₂RR性能并调节产物分布的可行策略.引入B原子到合金中以调节电子结构,最终优化关键中间体吸附的活性位点,对于寻找具有宽电位窗口的先进催化剂具有重要意义.本文提出了一种通过B掺杂调节CuIn合金电子结构以实现宽电位高选择性的...     

Ni单原子催化剂表面CO2电还原动力学的电化学谱学解析

针对Ni单原子催化剂表面的CO₂电还原反应(CO₂RR), 提出了以Ni为活性位点的“单中心”机理以及同时借助Ni位点还原和碳氮锚定位水解的“双功能”机理. 依据稳态极化的实验结果, 开展了CO₂RR的动力学解析与模型参数的敏感性分析; 借助暂态模型方程, 分别获取可表达CO₂RR线性与非线性频响特征的电化学阻抗谱(EIS)与总谐波失真(THD)谱. 研究结果表明, CO₂的溶解分压对CO₂RR活性影响最显著. 若CO₂RR遵循“单中心”机理, Ni位点COOH_ads的形成为速率控制步骤; 但若为“双功能”机理, 碳氮锚定位的水解与Ni位点的CO_2,ads还原同为速率控制步骤. EIS理论上可用于区分CO₂RR的“单中心”机理与“双功能”机理; 与之相比, THD谱在CO₂RR的机理识别中并无优势.     

氮掺杂碳催化剂在高效电化学CO2还原中的协同效应(英文)

利用电化学方法将温室气体CO₂还原(CO₂RR)为高附加值化学品是解决环境和能源问题的一种很有前景的办法.目前,大量具有催化活性的材料已被广泛应用于CO₂RR中,主要包括金属、合金、金属氧化物和金属-碳氮复合材料等.然而大部分金属也是很好的析氢反应(HER)活性位点,容易在CO₂RR催化过程产生大量氢气,同时部分金属位点容易被CO毒化导致活性与选择性下降,而且金属成本较高也会阻碍催化剂的工业化应用.因此,开发低成本、高性能的无金属的氮掺碳材料(mf-NCs)作为高效CO₂RR催化剂,以及研究相关的催化机理对于解决温室效应和能源短缺问题都至关重要.但N活性位点不清晰以及本征活性较低等劣势阻碍了mf-NCs成为一种高性能催化剂.精准控制合成具有明确N活性位点的mf-NCs催化剂仍然十分具有挑战性.目前,文献报道了一些mf-NCs(如氮杂石墨烯、氮杂纳米管)在CO₂RR中的应用.但是,在合成石墨烯或者碳纳米管的过程中需要使用到金属元素,完全去除它们非常困难.比如...     

电催化CO2还原过程中非均相界面的动态行为(英文)

自工业革命以来, CO₂的过量排放导致了环境污染和气候变化,对人类可持续发展造成了极大的威胁.由可再生电力驱动的电催化CO₂还原反应(CO₂RR)技术可在较温和的条件下将CO₂转化为高附加价值的燃料和化学品,因而是一种有效的CO₂转换和利用的方法.尽管电催化CO₂RR已经取得了较大的研究进展,但其工业化应用依旧面临着许多挑战:CO₂RR的反应路径涉及多步电子-质子转移,其产物组分较复杂(包括C₁到C₃的产物),并且反应过程伴随着析氢反应(HER)副反应发生.此外,不同电催化剂的使用以及实验操作条件均对CO₂RR影响较大,导致目前CO₂RR催化剂性能尚不够理想,因而难以获得实际应用.为进一步开发性能良好的电催化CO₂RR体系,以及认识实际反应过程中催化体系真正的活性位点,理解电催化剂表面结构演变机制至关重要.本文综述了CO     

二氧化碳电还原催化剂调控策略与结构效应（英文）

随着化石燃料的消耗,全球碳排放与日俱增,由此引发的温室效应对全球气候变化带来巨大的挑战,温室气体CO₂的减排与利用迫在眉睫.利用太阳能、风能等可再生资源生产的电能能够将CO₂还原为一系列有附加值的化学品如醇、酸等有机小分子,人为构造碳循环网络,实现碳中和.本文综述了电催化CO₂还原反应(CO₂RR)催化剂的调控策略和结构效应.从本征结构和外部结构的角度阐述了催化剂活性位点的调控策略.同时讨论了CO₂RR催化剂的结构效应,如串联催化、协同效应和限域催化.关于催化剂的调控策略,从催化剂的本征结构和外部结构两方面总结了近年CO₂RR催化剂的研究进展.特定的元素或化合物可以表现出不同的晶体结构,造成局部电子结构差异.而局部电子结构与催化剂的催化性能密切相关,调整晶体结构成为本征结构调控的核心问题,因此本文探讨了如何通过电化学方法和纳米晶体合成调节催化剂的本征结构.与本征结构不同,催化剂的外部结构与活性位点的微环境有关.催化剂的外部结构调节主要基于各种电子结构的协同...     

通过金属间化合物PdBi纳米片调控Pd基催化剂电催化CO2还原为甲酸盐(英文)

电催化CO₂还原(CO₂RR)对于降低大气中CO₂浓度、减缓温室效应具有重要意义.在众多CO₂还原产物中,甲酸盐是有机化工生产的重要原料.CO₂是一个线性分子,有两个等量的C=O键,打破它们需要较大的能量势垒和过电位.此外,CO₂还原涉及复杂的质子耦合,电子转移步骤和催化剂上多个结合能相近的反应中间体,导致产物分布广泛、选择性低.Pd催化剂能在较低的负电位下有效催化CO₂还原生成甲酸盐,然而,在高负电位下的CO毒化和CO₂还原的竞争反应(析氢反应,HER)阻碍了甲酸盐的生成.考虑到大多数单金属催化剂对CO₂RR的效率和选择性都不理想,双金属合金催化剂被广泛研究.^*OCHO是甲酸盐生产的关键中间体,它能较好地生成并吸附在以p电子为主的主族金属(如Bi,In,Sn及其氧化物)上,可高选择性获得甲酸盐.因此,通过引入主族金属,可在较宽的电位范围内提高Pd基催化剂的甲酸盐选择性...     

Covalent Organic Framework Materials for Photo/ Electrocatalytic Carbon Dioxide Reduction北大核心CSCD

Covalent organic frameworks （COFs）are a class of emerging materials connected by covalent bonds,which have high thermal/chemical stability （except boric acid COFs）,permanent porosity,large specific surface area and good crystallinity. In addition,the structure of the monomer unit in COFs is adjustable and can coordinate with many transition metal ions to provide catalytic active sites. These advantages make COFs helpful to catalyze various reactions. Among them,COFs have an excellent catalytic effect on the CO2 reduction reaction（CO2 RR）. This is mainly because the adjustable pore structure of COFs allows them to adsorb a large amount of CO2 and the π-π stacking structure in COFs can promote charge transfer, which can greatly improve the efficiency of CO2 reduction. COFs can be used as photo/ electrocatalysts to efficiently reduce CO2 to CO,CH4 ,HCOOH and other products. This review discusses the important achievements of CO2 RR catalyzed by COFs, including photo/electrocatalytic CO2 RR and photoelectric coupling CO2 RR. In addition,the future development of COFs as CO2 RR catalysts is also prospected. © 2022, Science Press (China). All rights reserved.     

一体化电极电催化二氧化碳还原研究进展

电催化二氧化碳还原反应(E-CO₂RR)可在温和条件下将CO₂转化成高附加值燃料或化学品,近年来受到广泛关注,其在实际反应中涉及到气体扩散和多电子转移等复杂过程,构筑高效、稳定的催化电极是其发展的核心之一。然而,传统涂敷电极制备时,需要将催化剂与粘结剂混合涂覆于集流体表面,此过程会造成活性位点包埋和传质过程受限,致使催化剂活性位利用率下降,同时在反应过程中电极表面容易粉化,造成稳定性下降,难以重复利用。因此,如何调控电极反应界面,提升催化剂活性位的利用率仍面临挑战。将催化剂原位生长于集流体上得到的一体化电极可直接应用于电催化反应,不仅有利于提升活性位利用率以及电荷传输能力,还能有效调控三相界面处的微观反应环境(如pH、反应物及反应中间体的浓度等),从而实现电催化性能强化。本文综述了一体化电极用于E-CO₂RR的最新进展,分析了结构和表界面调控对E-CO₂RR性能的影响规律,并对该领域仍然存在的挑战和未来一体化E-CO₂RR电极的发展进行了评述与展望。     

单原子催化剂在光催化二氧化碳还原中的研究进展

通过光催化技术将二氧化碳转化成增值的含碳化学品或燃料是解决能源危机和温室效应的一种可持续性方法. 开发高效、 廉价及高稳定性的光催化剂是提高光催化二氧化碳还原(CO₂RR)效率所面临的一大挑战. 单原子催化剂由于具有原子利用率高及电子环境可调等特性而在催化领域被广泛研究. 在光催化二氧化碳还原中, 金属单原子的加入不仅可调节光催化剂的能带结构及吸光性能等物理性质, 还可以有效提高其光生电荷转移效率, 并为研究光催化反应机理提供理想的平台. 近年来, 单原子光催化剂在二氧化碳还原领域的研究发展迅速. 本文综合评述了单原子催化剂在光还原二氧化碳反应中的研究进展, 介绍了不同载体的单原子催化剂的典型研究成果, 并展望了未来的研究趋势.     

长春应化所金属氮碳氧还原催化剂的研究进展

氧还原反应是燃料电池的核心,开发高性能催化剂一直是燃料电池技术面临的严峻挑战. 近年来,热解M-N-C催化剂的发展和以金属有机骨架材料为前驱体的运用让非贵金属氧还原催化剂的性能大幅度提升,但催化活性位点、反应机理等方面仍不甚清晰,需要分子水平上进一步的研究. 在这里,作者总结了本课题组近些年来在氧还原方向上的研究成果,首先是对催化剂活性位点进行的相关探索,提出了新的活性位点结构,为开发新型催化剂提供了帮助,并对金属氮碳催化剂进行了细致的微观调控,探讨了最佳的合成方法;其次开发了高效的双原子Co₂N₅催化剂,并在理论计算的指导下合成出了更为高效的FeCo双原子催化剂,具备了替代铂基催化剂的性能;最后针对芬顿反应引发的稳定性问题而开发的低芬顿反应活性的单原子Cr和单原子Ru催化剂,表现出了较高的活性和稳定性,为解决催化剂实际应用问题开辟了新的研究思路与方向. 作者相信,通过对催化剂活性位点的不断认知和对新型催化剂的不断开发,终会让非贵金属催化的商业化应用成为现实.     

单原子铈对弱芬顿效应活性位点氧还原稳定性的提升

合成了同时具备弱芬顿效应活性位点(Ru-N _x )和自由基消除位点(Ce-N _x )的高稳定性电催化剂Ru, Ce-N-C. 电化学性能测试结果表明, 在酸性电解质中, Ru, Ce-N-C催化剂表现出良好的氧还原反应(ORR)活性(半波电位为0.78 V)和稳定性(30000次加速老化测试后, 半波电位仅下降8 mV), 优于Fe-N-C催化剂. 对反应机理的研究发现, Ru, Ce-N-C催化过程中电子转移数为3.98, 平均H₂O₂产率低于5%.     

CO2和N2电还原中缺陷及界面工程的最新进展

实现碳氮循环是人类社会发展的迫切要求,也是催化领域的热门研究课题。在可再生能源的推动下,电催化技术引起了人们的广泛关注,且可以通过改变反应电压获得不同的目标产品。基于此,电催化技术被认为是缓解当前能源危机和环境问题的有效策略,对实现碳中和具有重要意义。其中,电催化CO₂还原反应(CO₂RR)和N₂还原反应(N₂RR)是一种有前途的小分子转化策略。然而,CO₂和N₂均为线性分子,其中C＝O和N≡N键的高解离能导致了它们高的化学惰性。此外,最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道(LUMO)之间的巨大能量间隙使它们具有高的化学稳定性;且CO₂和N₂的低质子亲和力使它们难以被直接质子化。另一方面,由于CO₂RR和N₂RR与析氢反应(HER)具有相近的氧化还原电位,造成其与HER之间存在竞争性关系,这也是致使催化剂在CO₂RR和N₂RR转化效率低的重要影响因素。因此,CO₂RR和N₂RR仍然面临着过电位高及法拉第效率低等问题。为了克服这些瓶颈,人们为提升CO₂RR和N₂RR电催化剂性能做出了很多努力。众所周知,电催化过程发生在催化剂表面,主要涉及质量传递和电子转移等过程。由此可见,催化剂的性能与其质量和电子传输能力密切相关,而调控催化剂表面结构可以优化活性点的质量和电子转移行为。电催化剂的缺陷和界面工程可通过表面原子工程来实现电子结构调控,对于提高气体吸附能力、抑制HER、富集气体及稳定中间产物等具有重要意义。到目前为止,所报道的各种缺陷和复合电催化剂在提高CO₂RR和N₂RR催化性能等方面均表现出巨大的潜力。在此,我们综述了CO₂RR和N₂RR中催化剂缺陷工程及界面工程的最新进展;首先讨论了四种不同的缺陷(空位、高指数晶面、晶格应变和晶格无序)对CO₂RR和N₂RR性能的影响;然后,总结了界面工程在聚合物-无机复合材料催化剂中的重要作用,并给出了典型实例;最后,展望了原子级电催化剂工程的发展前景,提出了开发和设计高效CO₂RR和N₂RR电催化剂的未来发展方向。     

Pd/C催化剂用于CO2电化学还原生成CO:Pd载量的影响

CO₂电化学还原反应可以将CO₂转化为燃料并同时实现再生能源的有效存储. 目前纳米结构的多相催化剂已经广泛应用于此反应,其中碳负载钯纳米粒子（Pd/C）表现出优异的CO₂电化学还原性能. 本工作研究了钯载量对于Pd/C催化剂结构以及其催化CO₂还原生成CO反应活性和选择性的影响. 不同载量的Pd/C催化剂通过液相还原方法制备,钯纳米粒子均匀地分散在碳载体上,载量并没有明显改变对纳米粒子的粒径. 在优选的电解质（0.1 mol·L^-1 KHCO₃）中,CO法拉第效率与载量呈现火山型曲线关系,-0.89 V时载量为20wt%的Pd/C催化剂达到最高的CO法拉第效率(91.2%). 生成CO的几何电流密度随着钯载量的增加而增加,但CO转换频率具有相反的趋势,载量为2.5wt%的Pd/C催化剂具有最高的转换频率. 这种载量对CO₂电化学还原反应活性和选择性的影响主要由活性位的数量、反应动力学、中间物种的稳定性以及反应物、中间物种和产物的传质过程等共同决定.