

AM：胺官能化碳纳米点电催化剂将二氧化碳转化为甲烷

邃瞳科学云

2021-11-02

导读：本文提出了一种NH2功能化改性的纳米碳策略促进CO2转化为CH4。

喜欢就点击蓝字关注我们吧，订阅更多最新消息

第一作者：Ram Manohar Yadav

通讯作者：王亮、Pulickel M. Ajayan和Jingjie Wu

通讯单位：上海大学、莱斯大学和辛辛那提大学

DOI：10.1002/adma.202105690

研究背景

电化学二氧化碳（CO₂）还原反应在减少CO₂净排放和满足能源需求方面具有双重作用。CO₂可以通过催化电还原和来自水的氢的结合，转化为能源燃料和商品化学品，如甲烷（CH₄）和乙烯（C₂H₄）等；然而，由于缺乏经济可行、高效、选择性和耐用的电催化剂，实际应用的转化成本很高。因此，设计具有优异CO₂到CH₄转化效率和选择性的电催化剂仍然具有巨大挑战。

成果介绍

上海大学、莱斯大学和辛辛那提大学等共同合作提出了一种NH₂功能化改性的纳米碳策略促进CO₂转化为CH₄。N掺杂策略在控制特定N构型和N的局部化学环境也会发生变化（即使具有相同的N构型）方面具有很大的挑战性，而功能化策略它更容易控制纳米碳上官能团的类型、化学结构和密度。开发的NH₂功能化GQD在CH₄偏电流密度（j_CH4）超过170 mA cm^-2时表现出50-63%的CO₂到CH₄选择性，接近或甚至优于最先进的铜催化剂。研究表明，NH₂功能化GQD在合成CH₄过程中的重要作用：CH₄的产率与NH₂的官能团含量呈正相关。

图文解析

图1原始和功能化aGQD的物理和化学特性：a）N-aGQDs-A9的低倍TEM图，b）N-aGQDs-A9的粒度分布图，c）显示扭曲石墨烯结构的亮场HRTEM图。插图：HRTEM图像的FFT，显示可变键长和角度，d）aGQDs和N-aGQDs-A9的XRD、e）拉曼光谱和f）FTIR，g）N-aGQDs-A9的高分辨率XPS N 1s光谱，h）不同N官能团在N-aGQDs-A9中的分布，i）N-aGQDs-A9的O 1s光谱。

图2 测试NH₂功能化aGQD的CO₂电还原中的活性和稳定性：a）CH₄的FE，b）j_CH4，c）C₂产品的FE，以及d）aGQDs和N-aGQDs-A9的j_C2，e）N-aGQDs-A9在恒电位-0.98 V下的稳定性。误差条表示基于三个独立电极测量的一个标准偏差。

图3 CO₂反应性与N官能团含量的关系：a）CH₄的FE和b）j_CH4与-NH₂（N₂）含量的关系对于所有研究的N-aGQD样品，c）C₂产物的FE和d）j_C2与吡啶N（N₁）含量的关系。虚线是线性回归。误差条表示基于三个独立电极测量的一个标准偏差。

图4 NH₂功能化GQD的表征和CO₂电还原性能：a）N-GQDs-UA-3的TEM图。插图：N-GQDs-UA-3粒径分布图，b）典型N-GQDs-UA-3粒子的HRTEM图，c）三个N-GQDs-UA样品的反褶积XPS N 1s光谱，d）三个N-GQDs-UA样品的CH₄和e）J_CH4的FE，f）j_CH4与不同电位下的NH₂原子的含量。虚线是线性回归。误差条表示基于三个独立电极测量的一个标准偏差。

总结与展望

胺功能化是一种通用策略，可应用于纳米碳催化剂，即对于形成的GQD，无论其晶体结构如何，都能促进CO₂电还原为CH₄的选择性和产率。NH₂功能化GQD在CH₄偏电流密度（j_CH4）超过170 mA cm^-2时表现出50-63%的CO₂到CH₄选择性。NH₂功能化GQD也表现出最大≈10% C₂产品的选择性，主要成分为C₂H₄和C₂H₅OH。不同N部分含量与对特定产物的反应性之间的相关性表明，NH₂官能团负责CO₂转化为CH₄，而吡啶N催化CO₂转化为C₂产物。进一步增加在GQD上的NH₂官能含量，有望在工业相关水平上提高CH₄的产率。今后的研究应致力于揭示NH₂功能化GQD上CO₂转化为CH₄的反应机理，并揭示相邻C和N活性中心的作用。