魏子栋教授、陈俊松教授、吴睿副研究员，ACB观点：Ni/Ni3ZnC0.7异质结构催化剂助力电催化CO2还原- 大数跨境

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魏子栋教授、陈俊松教授、吴睿副研究员，ACB观点：Ni/Ni3ZnC0.7异质结构催化剂助力电催化CO2还原

科学材料站

2021-11-08

导读：该文章将均匀混合了聚丙烯腈（PAN）、Zn(AC)2、ZnO与Ni(AC)2的DMF溶液利用静电纺丝方法及高温处理制备了嵌在多孔N掺杂碳纳米纤维的Ni/Ni3ZnC0.7异质结构催化剂

文章信息

多孔N掺杂碳纳米纤维中的Ni/Ni3ZnC0.7异质结构高效活化COOH*中间体以促进电化学CO2还原

第一作者：魏鑫鑫，肖书浩

通讯作者：吴睿*，陈俊松*，魏子栋*

单位：电子科技大学，重庆大学

研究背景

研究表明，非贵金属Ni基催化剂包括过渡金属镍-氮-碳（Ni-N-C）、Ni单原子、合金及复合催化剂等能够有效地催化CO2还原为CO。其中，Ni-N-C由于催化活性高、制备简单和稳定性优异等优点被认为是最有应用前景的CO2RR催化剂之一。然而，质子耦合电子转移过程的缓慢动力学难以满足实际应用的需求。

为了促进CO2RR反应过程中电荷的转移，构建异质结构界面是一种有效的策略，不仅可以通过构建内部场为加速电荷转移提供额外的驱动力，还可以调节电子结构并优化反应中间体（例如 COOH*、CO*）的吸附能，进而提高 CO2RR 催化剂的活性和选择性。

尽管这种方法具有一定的效果，但在液态电解质中Ni-N-C 催化剂表面发生的竞争性析氢反应 (HER) 将导致电催化过程中 CO 法拉第效率 (FECO) 降低。为了解决上述问题，开发一种能够同时调节中间产物的吸附并抑制HER的新型Ni基催化剂具有重大意义。

文章简介

基于此，来自电子科技大学的陈俊松教授，吴睿副研究员与重庆大学的魏子栋教授合作，在国际知名期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Activating COOH* Intermediate by Ni/Ni3ZnC0.7 Heterostructure in Porous N-doped Carbon Nanofibers for Boosting CO2 Electroreduction”的观点文章。

该文章将均匀混合了聚丙烯腈（PAN）、Zn(AC)2、ZnO与Ni(AC)2的DMF溶液利用静电纺丝方法及高温处理制备了嵌在多孔N掺杂碳纳米纤维的Ni/Ni3ZnC0.7异质结构催化剂。电化学测试结果与第一性原理计算表明，Ni/Ni3ZnC0.7异质结构催化剂能够有效降低形成COOH*中间体的能垒，同时抑制竞争性析氢反应（HER）中间体H*的形成，从而提升了CO2RR的选择性。

本文要点

要点一：多孔N掺杂碳纳米纤维负载Ni/Ni3ZnC0.7异质结构的制备

高温热解过程中，纺丝纤维中的Zn源由于高温汽化产生多孔的掺氮碳纳米纤维(PNCFs)，同时获得尺寸~12 nm的纳米颗粒均匀嵌入PNCFs。Ni/Ni3ZnC0.7-0.4的XRD图谱中含有Ni和Ni3ZnC0.7的特征衍射峰。

TEM表征中观察到Ni和Ni3ZnC0.7两种组分的晶格界面，以及Mapping中的Ni、Zn元素的分布彼此重叠，与纳米粒子的分布一致，可以证明Ni/Ni3ZnC0.7异质结构的形成。

图1. (a) Ni/Ni3ZnC0.7制备示意图。(b) Ni/Ni3ZnC0.7-0.4 的 XRD 图谱，(c) SEM 图，(d, e) TEM 和 (f) HR-TEM 图，(g) Ni/Ni3ZnC0.7-0.4 的能谱图。

要点二：Ni/Ni3ZnC0.7异质结构纳米颗粒修饰的多孔碳纳米纤维的特性和CO2还原性能

电化学测试表明具有异质结构的Ni/Ni3ZnC0.7-0.4催化剂比对比样品Ni-N-C的电流密度和CO法拉第效率都有明显提升，而且长循环稳定性测试发现样品可以稳定工作45小时，表现出良好的电化学CO2还原性能。

图 2. (a) PNCF、Ni/Ni3ZnC0.7-0.4和Ni-N-C在0.5 M CO2饱和KHCO3电解液中的LSV曲线。(b) 不同电位下的FECO，(c) jCO 。(d) PNCF、Ni/Ni3ZnC0.7-0.4和Ni-N-C三个样品的Tafel和 (e) 电化学双层电容。(f) Ni/Ni3ZnC0.7-0.4在-0.8 V vs. RHE电压下的长循环稳定性。

要点三：通过 DFT 计算来确定Ni/Ni3ZnC0.7界面的电子结构以及对CRR 催化活性的影响

密度泛函理论(DFT)计算结果表明，与Ni-N-C相比，Ni/Ni3ZnC0.7催化剂的异质结构既有利于COOH*的形成，又能抑制H*的吸附，从而提高了CRR的活性和选择性。

图 3. (a) CO2RR与(b) HER的吉布斯自由能图。(c) 吸附在Ni/Ni3ZnC0.7与纯Ni上的COOH*中间体的差分电子图。(d) Ni/Ni3ZnC0.7和 (e) Ni-N-C的DOS图与d带中心。

文章链接

Activating COOH* Intermediate by Ni/Ni3ZnC0.7 Heterostructure in Porous N-doped Carbon Nanofibers for Boosting CO2 Electroreduction

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120861

通讯作者简介

魏子栋教授博士生导师

教育部长江学者特聘教授，“化工过程强化与反应国家地方联合工程实验室”主任，重庆市“新能源化工”创新团队学术带头人；先后于1984年和1994年在陕西科技大学和天津大学获得学士和博士学位。是《化学学报》、《化工学报》、《物理化学学报》、《化学通报》、《电化学》、《储能科学与技术》和Electrochem Energy Review 等杂志编委，Chinese Journal of Catalysis 和Nano Materials Science 等杂志副主编；中国化学会会士，电化学专业委员会委员，催化化学专业委员会委员；中国化工学会理事。获省部级科学技术奖励一等奖、二等奖各1次，多次获专业学会奖励，发表学术论文200多篇，他引10000多次。

陈俊松教授博士生导师

国家青年特聘专家。2012年在新加坡南洋理工大学获得博士学位。2013年获得德国洪堡基金会奖学金，于马克思普朗克胶体与界面研究所任洪堡学者。多次入选全球高被引科学家。主要研究方向为用于钠离子电池、锂硫电池等纳米功能电极材料的设计与合成。目前已在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Nano. Res.等国际SCI期刊上发表论文80余篇，其中多篇被选为ESI高被引论文，SCI引用达到10000多次，H因子46。

吴睿副研究员

2018年6月在重庆大学获得工学博士学位，师从魏子栋教授，主要从事燃料电池、电化学CO2还原的研究工作。2018.07-2019.06在电子科技大学开展博士后研究工作，2019年7月以特聘副研究员留校工作。近五年，发表SCI论文20余篇，其中以通讯作者或第一作者在Appl. Catal. B: Environ., J. Energ. Chem., J. Mater. Chem. A，Chem. Eng. J., Chem. Commun., 等国际SCI期刊发表论文15篇。