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周震团队ACB：快速热解法制备镍单原子催化剂用于CO2选择性电化学还原为CO

邃瞳科学云

2021-12-19

导读：该工作创新性地采用快速热解的方法制备了镍单原子催化剂，高温高内压的环境可以从本质上抑制金属原子的聚集，从而实现原子的高度分散。所制备的催化剂具有优异的二氧化碳电化学还原性能，产生CO的法拉第效率最高达

文章信息

快速热解法制备镍单原子催化剂用于CO2选择性电化学还原为CO

第一作者：郭一博

通讯作者：周震*，崔会娟*

单位：南开大学/郑州大学，中科院天津工业生物技术研究所

研究背景

利用可再生能源发电产生的电能进行电化学还原CO₂为各种高附加值的化学品被认为是解决全球CO₂过量排放和实现碳中和的有效途径。然而，由于CO₂稳定的化学键和水相体系中竞争性析氢反应的存在，需要高效高选择性的电催化剂来促进CO₂还原反应的发生。单原子催化剂由于其独特的电子结构和优异的电催化性能受到了广泛关注。但目前对于单原子催化剂的研究还存在一些不足。

首先，单原子催化剂的制备比较困难，一些高温煅烧的制备方法会不可避免地导致金属团聚，破坏单原子的配位环境。此外，金属原子、配位环境和载体之间的相互作用机理还有待于进一步研究。因此，开发从本质上可以抑制金属团聚的制备方法以及深入研究催化机理具有重要意义。

文章简介

基于此，南开大学周震教授团队在国际知名期刊Applied catalysis B: Environmental上发表题为”Nickel single-atom catalysts intrinsically promoted by fast pyrolysis for selective electroreduction of CO₂ into CO”的研究论文。

该工作创新性地采用快速热解的方法制备了镍单原子催化剂，高温高内压的环境可以从本质上抑制金属原子的聚集，从而实现原子的高度分散。所制备的催化剂具有优异的二氧化碳电化学还原性能，产生CO的法拉第效率最高达95%。该工作为单原子催化剂的制备和机理研究提供了新的思路。

图1. 快速热解法制备镍单原子催化剂示意图

要点一：快速热解法制备Ni-SAC@NC及其表征

在高温下对原料进行快速热解，瞬间产生的高内压环境可以从本质上抑制金属原子的团聚，从而实现金属原子的高分散。通过SEM和TEM证明，Ni-SAC@NC材料表现出三维多孔的薄层石墨烯框架结构，HAADF-STEM图像证明材料存在孤立分散的Ni原子以及丰富的孔洞缺陷结构。

XANES测试表明Ni-SAC@NC中Ni的价态位于0到+2价之间，EXAFS表明Ni-SAC@NC没有Ni金属团簇的存在，Ni通过与N原子的作用被固定在碳基底上。

图2. Ni-SAC@NC的形貌表征

图3. Ni-SAC@NC的结构表征

要点二：Ni-SAC@NC优异的电催化CO₂还原活性

在H-cell中对Ni-SAC@NC进行二氧化碳电化学还原的测试。主要气体产物为CO和H₂，没有检测到液体产物的存在。Ni-SAC@NC在0.5V的过电势下产生CO的法拉第效率达到95%。

进一步在flow-cell系统下对Ni-SAC@NC进行二氧化碳电化学还原的测试，Ni-SAC@NC可以在2.7V的电压下产生187.7 mA cm^-2的CO局部电流密度，法拉第效率达到93.8%。

图4. Ni-SAC@NC的电催化CO₂还原活性

要点三：DFT计算进一步揭示催化机制

进一步采用了接近真实电化学环境的DFT计算来揭示Ni-SAC@NC二氧化碳还原活性，Ni-SAC@NC独特的结构有利于COOH*中间体的吸附和CO的脱附，并且竞争性的HER得到抑制，因此Ni-SAC@NC表现出高的二氧化碳还原活性和选择性。

图5. Ni-SAC@NC的DFT计算

要点四：亮点总结

该工作采用快速热解的方法制备了镍单原子催化剂，可以从本质上抑制金属原子的团聚从而实现高分散。由于其独特的结构，Ni-SAC@NC具有出优异的二氧化碳电化学还原性能。该工作开辟了制备单原子催化剂的新途径，为碳中和提供了一种解决方案，同时证明了金属中心和配位环境在电催化过程中的重要作用。

文章链接

Nickel single-atom catalysts intrinsically promoted by fast pyrolysis for selective electroreduction of CO2 into CO

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092633732101122X

通讯作者简介

崔会娟博士

2010年本科毕业于河北师范大学化学学院化学专业，2016年博士毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所物理化学专业，2016-2021年为南开大学材料科学与工程学院博士后/助理研究员，现在中科院天津工业生物技术研究所工作，从事新型功能碳材料的制备及其电催化性能研究等方面的工作。在Mater. Horiz.、Appl. Catal. B: Environ.、Small和J. Mater. Chem. A等期刊发表第一/通讯作者论文十余篇，获得授权专利3件。先后获得中国博士后科学基金、国家自然科学基金青年基金和天津市自然科学基金青年基金的资助。现为Materials Horizons Community Board成员。

周震教授

郑州大学“教育部长江学者奖励计划”特聘教授，主持(含已结题)863计划、国家重点研发项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究，通过高通量计算、实验与机器学习相结合研究设计了多种新能源存储与转化材料及器件。在Chem. Soc. Rev.、Prog. Mater. Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.和Adv. Mater.等期刊上发表论文300余篇。论文被他人引用30000余次，h-index为101。2014-2020年连续七年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2021年连续四年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy and Environment副主编、JPCA/B/C、《过程工程学报》、《电化学》和《电源技术》编委以及中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员。

第一作者介绍

郭一博，南开大学材料科学与工程学院2019级博士研究生，已在Appl. Catal. B: Environ.、J. Mater. Chem. A和Chin. J. Catal.等期刊发表第一作者论文3篇。主要研究方向是CO2RR、ORR和OER电催化剂的制备及应用。

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