Advanced Energy Materials:Ni颗粒活化为Ni-N3原子高效电化学还原CO2

化石燃料的大规模使用排放过量CO2,其造成的全球气候变化及生态问题是人类可持续发展所面临的严峻挑战。利用太阳能、风能等可再生能源提供的电能,将CO2电催化转化,是缓解能源短缺和降低碳排放的重要途径,而研发高选择性、低成本和高能效的电催化剂对这一过程至关重要。

近日,北京化工大学有机-无机复合材料国家重点实验室孙振宇教授课题组与合作者们 (天津大学康鹏教授、韩国科学技术院Yousung Jung教授) 利用残留Ni催化剂颗粒的商用多壁碳管作为原料,通过在碳管表面包覆间苯二酚、三聚氰胺和甲醛的聚合物层,然后进行热解,在热解过程中,表面上和包裹在碳管内部的Ni颗粒会扩散到具有氮源的多孔碳基质中,从而实现Ni-N配位。所制备的Ni单原子催化剂,能够在较低的过电位下将CO₂还原为CO,CO的法拉第效率超过90%,CO转换频率接近12000 h-1,质量比活性达到10600 mA mgNi-1。研究者结合X射线衍射 (XRD)、X射线光电子能谱 (XPS)、X射线近边吸收精细结构 (XANES)、扩展X射线吸收精细结构 (EXAFS)、高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜 (HAADF-STEM) 表征结果,证实了由Ni颗粒转化为Ni单原子的过程,Ni与N配位形成的活性位点是Ni@N3 (吡咯氮)。密度泛函 (DFT) 结果表明,Ni@N3 (吡咯氮) 是将CO2电催化还原为CO的主要活性中心,有利于*COOH中间体的形成和*CO脱附,其自由能比Ni@N4结构更低,从而提高了电催化CO2的转化率。相关结果发表在Adv. Energy Mater.(DOI:10.1002/aenm.201903068)。

这一研究发现为制备低成本、高性能的单原子催化剂提供了简单有效的策略,推动了CO2电还原技术的发展。