Advanced Energy Materials:CO2催化转化机制及单原子电催化剂的设计原理

将CO2直接转化成碳中性燃料或工业化学品,对能源的可再生利用和减少温室气体的排放有着广阔的应用前景和现实意义,为解决当前的能源安全和可持续性问题提供了一种绝妙的解决方案。作为CO2转化技术的核心,需要电催化剂来促进关键反应,即决定效率和选择性的CO2还原反应(CO2RR)。然而由于该反应涉及多电子转移,反应过程包含复杂的中间体以及许多反应途径,导致CO2RR比其他与能源相关的电化学反应(例如氧还原反应/ORR和析氧反应/OER)复杂得多,因此实验上寻找具有更高产品选择性和催化活性的电催化材料仍然是巨大的挑战。

TM-Nx-C型过渡金属单原子电催化剂(SACs)凭借其原材料储量丰富、性能优异和高选择性等特性,俨然成为均相和非均相催化材料研究中的前沿科学,在能源相关的领域深受广泛关注。众多研究发现Fe-N-C和Co-N-C均展现出良好催化性能,能高效的将CO2催化转化成CO。但整体来说,SACs在催化CO2RR过程中,过电势相对较高,催化机制不完善。更为重要的是,如今急缺一种与催化剂内在性质相关的描述符能够指导电催化剂的合理设计或快速的性能预测及筛选。

美国北德克萨斯州大学夏振海教授、北京化工大学张利鹏教授及其团队在CO2RR催化机制和电催化剂设计原则方面的研究取得了重要进展。通过DFT理论模拟,他们对一系列过渡族金属单原子电催化剂(SACs)将CO2还原成CO产物的催化行为进行了热力学和动力学分析,结果发现催化单元的几何构型,电子特性与中间体的吸附方式和催化活性之间的内在关系。由此,他们提出了一种新型的描述符(Φ=VM×EM/rM),包括过渡金属的价电子数,电负性以及原子半径,并搭建了描述符和催化活性(η)之间的“火山型”关系图,从中发现了最佳的过渡金属单原子催化结构。值得说明的是,该描述符充分考虑了CO2还原过程中的竞争析氢反应(HER)。通过划分“火山”型区域,反应类型,催化机理,中间体产物,反应途径,最终产物和过电势能够同时被这个新型的描述符识别。如图所示,分布在青色区域的SACs更容易发生HER竞争反应,而分布在粉色区域的SACs将优先进行CO2RR。这些预测被实验结果中的起始电位和法拉第效率所证实。另外,该描述符还可以用于预测单原子催化剂在其他电化学反应中的活性及推测其反应机理,例如燃料电池中的氢析出,氧还原和析出反应以及水分解。因此,作为一种普适型的描述符,将试用于快速预测SACs的催化性能,为合理设计和筛选用于CO2转化的高效电催化剂以及其他电化学能源系统打开了一扇门。

上述相关研究论文“Catalytic Mechanisms and Design Principles for Single-Atom Catalyst in Highly-Efficient CO2 Conversion”(DOI: 10.1002/aenm.201902625)已发表在Advanced Energy Materials。该论文第一作者为该组的博士生龚乐乐,通讯作者为夏振海教授和张利鹏教授。