南开大学李伟教授课题组ACB：具有金属-吡啶N结构的过渡金属单原子催化剂高效电还原二氧化碳

邃瞳科学云

2021-08-27

导读：本文报道了具有金属-吡啶N结构的单原子催化剂用于CO2电催化的新见解，研究表明调节配位环境对合理设计和开发具有特定催化性能的单原子催化剂具有重要意义。

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第一作者：王彩

通讯作者：刘玉萍*，李伟*

单位：南开大学

研究背景

大量燃烧化石燃料导致CO₂排放量不断增加，其所造成的环境问题已不容忽视。以可再生电力为动力的CO₂电催化是一种将CO₂转化为增值含碳产品的有效策略。在还原产品中，CO或合成气被认为是后续热化学反应理想且经济的原料。近来，氮掺杂碳材料上锚定的金属单原子材料(M-N-C)作为ECR的理想催化剂已显示出巨大的优越性，其中三种过渡金属（Fe、Co和Ni）基M-N-C材料因其低成本和优异的CO₂还原为CO活性而被广泛研究。确定原子结构与催化性能之间的关系对于开发高效的M-N-C单原子催化剂具有重要意义，但这仍然是一个挑战。

文章简介

基于此，来自南开大学的刘玉萍副教授和李伟教授在在国际权威期刊Applied Catalysis B: Environmental上发表题为“Typical Transition Metal Single-Atom Catalysts with a Metal-pyridine N Structure for Efficient CO₂ Electroreduction”的研究文章。该文报道了具有金属-吡啶N结构的单原子催化剂用于CO₂电催化的新见解，研究表明调节配位环境对合理设计和开发具有特定催化性能的单原子催化剂具有重要意义。

本文要点

要点一：具有金属-吡啶N结构的M-N-C（M=Fe,Co,Ni）单原子催化剂的合成。

通过热解金属1，10-菲咯啉配合物修饰的多孔碳材料，成功地制备了一系列过渡金属锚定在氮掺杂碳基体（M-N-C，M=Fe，Co，Ni）上的单原子催化剂，HAADF-STEM和XAS表征结果表明M-N-C由四个吡啶N原子配位的单原子金属组成。

图1. M-N-C（M=Fe,Co,Ni）单原子催化剂的合成路线。

要点二：M-N-C单原子催化剂用于CO₂电催化的性能顺序。

M-N-C电催化剂在CO₂转化为CO中表现出良好的性能，其选择性顺序为Ni>Co>Fe，活性顺序为Co>Ni>Fe，这与之前报道的一般性能顺序（Ni> Fe> Co）大不相同。

图2. (a-b) Ni-N-C的TEM图和HAADF-STEM图。(c–d) M-N-C的性能测试图。(e-f) DFT理论计算图。

要点三：M-N-C单原子催化剂的实际应用性。

Ni-N-C具有优异的选择性，在流动电解池中，Ni-N-C的CO法拉第效率在100～240mA·cm^-2的电流密度范围内可以保持在100%左右。Co-N-C表现出较高的活性（高CO电流密度和CO转换频率），并能以合适的Co/H₂比（0.5～2.11）生成合成气。

要点四：DFT计算。

密度泛函理论计算结果充分支持了选择性和活性的实验趋势。

文章链接

Typical transition metal single-atom catalysts with a metal-pyridine N structure for efficient CO₂ electroreduction

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120331

通讯作者简介

李伟，男，1969年2月生，南开大学化学学院教授，科学技术研究部技术开发与成果转化办公室主任，博士生导师，是教育部新世纪优秀人才基金获得者，天津市“131”创新型人才培养工程第一层次人选。长期从事与化工清洁生产密切相关的新型催化剂的研制与开发研究。已在国内、外重要学术刊物上发表学术论文共计150余篇，申请130项中国发明专利及3项美国发明专利，先后有十几项科研成果得到工业应用，作为第一完成人获得多项省部级奖励，并连续两年获得由天津市政府颁发的天津市产学研联合突出贡献奖。在新型纳米催化剂研究领域取得了多项重大科研成果。其中一些成果直接面向国民经济，有多项成果完成了工业规模的放大生产。在取得巨大的经济效益的同时，克服了工业应用中现有生产工艺周期长、污染重等问题，为企业经济可持续发展和环境治理做出了较大贡献。详见课题组网站：https://catalyst.nankai.edu.cn/。