Small Methods: 自支撑电催化二氧化碳还原的最新研究进展

CO2是最主要的温室气体之一,同时也是一种廉价无毒、来源广泛的C1资源。使用电化学方法还原CO2,不但具有环保价值,还可以获得具有一定经济价值的化学产品,因而受到越来越多的关注。由于CO2具有较高的热力学稳定性,一般需要使用催化剂才能将其活化利用,因此寻找高效的CO2电还原催化剂成为目前研究的热点之一。国内外科研人员在此领域做了大量工作,取得了一系列令人瞩目的优秀成果。然而,目前已报道的CO2电还原催化剂,绝大部分是粉末化结构,需要使用Nafion,PVDF等胶黏剂将其制作成可用的电极。在这一过程中,胶黏剂可将大量的电子、离子与气体传输通道封堵,一方面降低催化剂的导电性,另一方面将催化活性位点包覆在催化剂内部,减少了能够参与CO2电还原的有效活性位点数量,进而降低了催化活性。因而引入具有自支撑结构的催化剂,对于推动CO2电还原的理论研究与实际应用,均具有重要的意义。

近期,深圳大学化学与环境工程学院何传新教授团队,系统、全面地总结了自支撑结构CO2电催化研究的最新进展。自支撑电催化剂具有一系列显著的优点:(1)可以利用多种合成方法(水热法、模板法、电沉积等)在导电基底上制备纳米结构的活性材料;(2)催化活性物质可以在导电基底上直接生长,利于活性中心与集流体之间的电子转移,提高电流密度;(3)自支撑结构由于避免使用粘结剂,可以充分暴露活性中心,并提供较大的电化学表面积与电解质传输通道;(4)有效避免活性材料从集流体上脱落,实现电催化反应的长时间稳定性;(5)通过调整导电基底上活性物质的组成和形貌,可有效优化其电化学性能,精确调控CO2电还原反应。例如,通过有机掺杂的方法,将含有氮杂环官能团的大分子化合物,固定到金属纳米微晶中,形成有机掺杂纳米金属催化剂;该催化剂具有金属的导电性与延展性,可通过压片机压制成金属片,直接作为阴极,用于CO2电还原反应,实现催化剂的高效回收利用。通过静电纺丝的方法,可以在单根纤维上构建网络互穿多孔结构,并实现金属在纳米纤维上的原子级分散;纳米纤维形成的薄膜具有良好的导电性与机械强度,可将其直接作为工作电极用于CO2电还原,无需任何胶黏剂;纤维膜的自支撑与网络互穿多级孔结构,可以大幅提升有效单原子数量,获得更多可以参与催化反应的活性位点,从而提升催化综合性能。此外,还可以通过水热法、模板法、电沉积,还原金属氧化物等多种方法,获得具有自支撑结构的CO2电还原催化剂。最后,本文概述了自支撑CO2电还原催化剂在结构设计、制备方法、组分调控和性能改进等方向所面临的技术挑战,并展望了其工业化应用的前景与机遇。相关综述近期发表于Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900826)。

本文第一作者为深圳大学化学与环境工程学院副研究员杨恒攀博士,通讯作者为深圳大学化学与环境工程学院何传新教授(代表作:Nat. Commun. 2020, 11, 593; J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 12717; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 15476等)。