不同氮配位数原子级分散的钴催化剂对二氧化碳电还原催化性能的影响

将二氧化碳（CO₂）电催化还原为有价值的化工产品不仅能存储电能，还能降低大气中二氧化碳的浓度，从而缓解温室效应。研究者已经尝试了使用不同类型的金属催化剂来实现这一过程。然而在催化过程中，CO₂分子如何转化为中间体CO₂^•−以及催化剂的微观结构如何影响CO₂的电还原性能等重要问题还有待探究。基于具有结构均一的催化活性中心的性质，原子级分散的金属催化剂为探索上述问题提供了良好的契机。

中国科学技术大学的吴宇恩教授（点击查看介绍）课题组制备了一系列不同氮配位数原子级分散的钴催化剂，并探究了其对于二氧化碳电还原的催化性能。

图1. 不同氮配位的钴单原子合成示意图及Co-N₂的结构表征

实验结果和理论计算结果都表明，更少的氮配位数可以使反应中间体CO₂^•−更稳定，从而有效地促进催化剂表面的CO₂分子转化为CO₂^•−，最终表现出更高的CO₂电还原为一氧化碳（CO）的活性。其中，拥有2个氮配位原子级分散的钴催化剂（Co-N₂）在520 mV的过电位下能产生18.1 mA•cm⁻²的电流密度，并伴随着94%的法拉第效率。同时，该催化剂还表现出较高的催化稳定性，在60小时的恒电位测试中，其电流密度和法拉第效率都没有发生明显的变化。

图2. CO₂电还原的催化性能测试

图3. 配位数与CO₂催化性能关系的实验探究和DFT理论计算

这项研究揭示了配位环境的调控在高性能二氧化碳电还原催化剂设计中的重要性。相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. 上，文章的通讯作者为吴宇恩教授，共同第一作者为王潇乾、陈昭。

该论文作者为：Xiaoqian Wang, Zhao Chen, Xuyan Zhao, Tao Yao, Wenxing Chen, Rui You, Changming Zhao, Geng Wu, Jing Wang, Weixin Huang, Jinlong Yang, Xun Hong, Shiqiang Wei, Yuen Wu, Yadong Li

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Regulation of Coordination Number over Single Co Sites: Triggering the Efficient Electroreduction of CO₂

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1944, DOI: 10.1002/anie.201712451

作者介绍

吴宇恩，广西桂林人，现为中国科学技术大学化学系教授，博士生导师；2009年本科毕业于清华大学化学系，2014年在清华大学化学系获得博士学位，师从李亚栋院士；2014年9月至今在中国科学技术大学化学系工作，一直专注于纳米晶催化剂的可控制备，并将结构确定的金属纳米催化剂应用于能源相关的催化反应中，研究其构效关系，对于功能纳米材料的控制合成、结构与性能关系的研究具有丰富的经验；近5年来，专注于金属单原子、团簇催化剂合成方法学的研究，并将催化剂应用于燃料电池相关的小分子活化反应的研究，以第一/通讯作者发表学术论文30余篇，包括Chem. Soc. Rev. 1篇、Nat. Commun. 2篇、J. Am. Chem. Soc. 7篇、Angew. Chem. Int. Ed. 6篇等，论文SCI引用共计1800余次；2015年获得基金委优秀青年基金资助，2017年获国家重点研发计划纳米专项青年项目资助，并担任首席，2017年获得中组部青年拔尖人才资助；担任国际重要期刊Science Bulletin（国际Q1区）副主编、Science China Materials（国际Q1区）编委。

http://www.x-mol.com/university/faculty/35052