【催化】热扩散与碳限域耦合助力二氧化碳的电催化还原- 大数跨境

X-MOL资讯

2024-05-16

导读：山东大学张进涛课题组提出了低熔点金属的热驱动扩散调控新策略，充分发挥碳壳的限域作用将铋纳米颗粒分散到空心多孔碳中，从而解决电催化过程中活性位点的聚集和失活问题。

在温和条件下，利用电催化还原将二氧化碳转化为高附加值的化学产品和燃料，为解决化石能源危机与环境污染问题提供了富有前景的策略。然而，稳定的二氧化碳分子导致其电催化还原面临诸多挑战。因此，高选择性和高活性电催化剂的设计是解决限制二氧化碳还原性能的关键。

碳载体不仅可以分散电催化活性位点，还可以提供有效的电子传输路径，从而强化金属与碳载体间的协同优势促进二氧化碳的高效转化。但是，高温碳化合成过程中，通常金属纳米颗粒利用热驱动的聚集与团聚来降低自身的表面能，不可避免地导致活性面积的损失和催化的失活。

近日，山东大学张进涛课题组提出了低熔点金属的热驱动扩散调控新策略，充分发挥碳壳的限域作用将铋纳米颗粒分散到空心多孔碳中，从而解决电催化过程中活性位点的聚集和失活问题。

图1. 催化剂制备过程与形貌表征

以水热法合成的碳包覆铋核壳结构为研究对象，基于热解驱动分散的策略，调节热解温度和时间实现了铋核在碳层中分散状态的调控。如图1所示，随着煅烧温度的升高，热驱动的扩散过程使铋核逐步分散到空心碳壳中形成纳米颗粒到最后完全挥发仅保留碳层结构。此外，铋金属的蚀刻作用创造多级碳孔道结构，构建了有效的电子与离子传输通道，同时发挥氮掺杂碳的锚定作用抑制铋的聚集与失活，从而有效强化电催化过程实现二氧化碳的稳定电催化转化。

图2. 不同催化剂所对应的性能图

在H型和流动池中对其性能进行测试，进一步探究不同条件下所制备催化剂的构效关系。从图2结果表明，空心碳壳中镶嵌铋纳米颗粒的电催化剂（Bi@C-700-4）表现出最为理想性能，其对甲酸的最高法拉第效率最高可达94.8%并且表现出良好的稳定性，进一步说明碳限域的结构对促进活性位点的分散以及抑制催化剂聚集起到良好的促进作用。

图3. 原位表征与理论计算结果

原位表征技术和理论计算结果表明，铋镶嵌的碳壳中空结构可有效强化碳载体与金属间的相互作用有效降低二氧化碳的还原能垒，从而加快电化学反应。同时，通过调节局部限域环境实现对中间体的选择性的调整，实现二氧化碳的选择性转化。

图4. 太阳能驱动的CO₂RR-HMFOR装置示意图

太阳能电池驱动的CO₂-HMF耦合电解池实现了出色的FDCA产率（81.2%），HMF转化率接近100%。同时，因阴极测对甲酸的法拉第效率仍能维持在90%左右，表现出良好的稳定性和选择性。

小结

该工作中，张进涛教授团队提出了低熔点金属的热驱动扩散调控新策略，发挥碳壳的限域作用将铋纳米颗粒分散到空心多孔碳中，从而解决电催化过程中活性位点的聚集和失活问题，为设计高效稳定的电催化剂提供了新思路。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Thermal-driven Dispersion of Bismuth Nanoparticles among Carbon Matrix for Efficient Carbon Dioxide Reduction

Weijian Guo, Xueying Cao, Dongxing Tan, Bari Wulan, Jizhen Ma, Jintao Zhang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202401333

张进涛教授课题组简介

张进涛，山东大学教授、博士生导师、化学与化工学院副院长，课题组围绕界面电化学与原位电化学表征技术中的关键科学问题，开展新型电极材料表界面功能化设计与电化学能源转换机理方面的研究工作。至今已在Nature Nanotechnology、Nature Communications、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、等国内外期刊发表SCI论文100余篇，被引用16 000余次（H-index 为61），科研成果获得山东省自然科学二等奖。曾入选山东省泰山学者工程、国家高层次人才计划、省杰青等，现担任电化学、Nano Research、eScience、Chinese Chemical Letters等期刊青年编委。

课题组主页

https://faculty.sdu.edu.cn/ees/zh_CN/index.htm

https://www.x-mol.com/groups/zhang_jintao