北化工刘军枫教授团队/高研院王宇研究员JACS：Al单原子催化剂打破中间体吸附线性比例关系实现高的二氧化碳还原活性

第一作者：马占帅， 王兵庆

通讯作者：王兵庆*，王宇*，刘军枫*

单位：北京化工大学，中国科学院上海高等研究院

以可再生能源驱动将二氧化碳还原（CO₂RR）为燃料和高附加值化学品是缓解环境问题和能源危机的一条有效途径。其中，将CO₂还原生产CO受到了人们的广泛关注，这主要是因为CO是费托合成生产各种化学品的主要原料之一。因此，开发高效的CO₂RR催化剂以实现CO₂RR制CO至关重要。迄今为止，除了昂贵的贵金属 Au、Ag基催化剂外，人们还努力开发用于CO₂RR到CO的过渡金属基催化剂。其中，氮掺杂碳 （M-N-C）催化剂表现出了具有巨大的CO₂RR转化为 CO的应用潜力，主要是因为它们具有高的选择性、高稳定性和接近100%的原子利用率。尽管在这一领域已经取得了一定的进展，但这些基于过渡金属的M-N-C催化剂存在着中间体*COOH形成能垒高或者*CO脱附困难等问题，这一定程度限制了该类催化的本征活性。因此开发同时具有中间体*COOH形成能垒低和*CO易脱附的M-N-C催化剂以实现CO₂RR到CO的高活性至关重要。

近日，北京化工大学的刘军枫教授团队与中国科学院上海高等研究院的王宇研究员合作，在国际知名期刊JACS上发表题为“P‑Block Aluminum Single-Atom Catalyst for Electrocatalytic CO₂ Reduction with High Intrinsic Activity”的文章。该工作利用地壳中含量最丰富的金属—铝，设计出“碳基铝单原子催化剂”应用于CO₂RR。单原子铝活性位点同时具有较低的*COOH形成能垒和*CO脱附能垒，这使得单原子Al催化剂表现出了优异的CO₂RR到CO的本征活性。该工作不仅提供了一种过渡金属以外的高活性和高选择性CO₂RR催化剂，同时还可激发人们对新单原子催化剂的不断探索。

Al-NC为多孔菱形十二面体结构，Al单原子在氮掺杂碳载体上均匀分布。同步辐射表征进一步证明Al原子与4个N原子配位的方式存在于催化剂中。

Al-NC在-0.65 V vs RHE下的CO法拉第效率(FECO)高达98.76%，在-0.99 V vs RHE下的催化转换频率为3.60 s−1，超过了目前最先进的Ni-NC和Fe-NC。

原位衰减全反射红外光谱和理论计算证明Al-N₄位点具有较低的*COOH的形成能垒和*CO的脱附能垒。

Al-NC在流动电解池（flow cell）和膜电极组件(MEA)中分别在309 mA·cm⁻²和605 mA的CO分电流时表现出了93.65%和85% 的CO法拉第效率。引人注目的是，当使用低浓度CO₂ (30%)作为原料时，该催化剂在MEA中CO分电流240 mA时FECO仍可超过80%。

P‑Block Aluminum Single-Atom Catalyst for Electrocatalytic CO₂ Reduction with High Intrinsic Activity

刘军枫教授简介：2007年毕业于清华大学化学系，师从李亚栋院士。现为北京化工大学化学学院化工资源有效利用国家重点实验室教授，博士生导师。近年来聚焦无机功能纳米材料及其在催化、能源领域的应用。作为通讯或共同通讯作者在包括J. Am. Chem. Soc.，Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊上发表学术论文80余篇，他引6000余次，H因子58。参编著作3部，已授权国家发明专利13件。曾获2021年高等学校科学研究优秀成果奖，北京市科技新星，教育部新世纪优秀人才。

王宇教授简介：2006年毕业于中国科学技术大学，2012年在中国科学技术大学国家同步辐射实验室获博士学位。现为中国科学院上海高等研究院研究员。自2006年开始从事同步辐射研究工作至今，主要研究方向为X射线吸收谱学方法学发展及应用，并结合多种实验方法研究金属蛋白和配合物催化剂。目前担任上海光源BL14W1线站负责人。入选中科院青年创新促进会，主持多项国家自然科学基金，在J. Am. Chem. Soc.， Adv. Mater，PNAS, Energy Environ. Sci.等期刊上发表学术论文60余篇。

王兵庆博士：2019年6月毕业于北京化工大学，获化学博士学位，师从刘军枫教授。目前在新加坡国立大学从事博士后研究，主要研究方向为单原子催化剂的设计与应用。以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc.，Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Appl. Catal. B Environ.等期刊发表论文20余篇。