Small: 纳米结构钴基电催化剂在二氧化碳还原中的应用:最新进展、挑战和展望

二氧化碳(CO2)作为化石能源燃烧反应后的最终产物,是温室气体的最主要成分之一。通过催化过程将CO2转化为其他增值化学品为可持续固碳提供了有效策略。近些年,很大部分关于电催化二氧化碳还原研究的重点都集中在过渡金属基催化剂,以期达到具有高选择性的催化效果。在众多的还原产物中,一氧化碳和甲酸被证实是目前最具有经济效益的电催化还原二氧化碳产物之一,其中,钴基催化剂展现出了优异的催化性能,包括高法拉第效率,高电流密度,低过电势等。在钴基复合电催化剂材料中,钴的固有性质、以及其与其他活性位点的协同效应将会在未来电催化还原二氧化碳工业化进程中起到重要作用。

近日,加拿大国立科学研究院孙书会教授和张改霞博士团队与福州大学郑宜教授在Small上发表了题为 “Nanostructured Cobalt-based Electrocatalysts for CO2 Reduction: Recent progess, Challenges, and Perspectives”的综述论文,系统地总结了不同钴基催化剂材料在电催化二氧化碳还原研究中的应用。

二氧化碳还原可以得到多种产物,钴基催化剂更倾向将二氧化碳还原生成具有高经济效益的一氧化碳和甲酸。合理的设计理念,包括分子催化剂设计,单金属位点催化剂设计,氧化物衍生催化剂设计,催化剂的纳米结构调控设计等,对钴基催化剂在电催化二氧化碳还原过程中的高活性电流和高法拉第效率等起到重要作用。密度泛函理论(DFT)和先进的原位表征手段能够对钴基复合催化剂中的不同活性位点间的协同作用进行解析,从而揭示其电催化二氧化碳还原的反应机理。为了进一步提升钴基催化剂对电催化二氧化碳还原反应的活性,未来下列几个方面的挑战与机遇并存:优化具有高活性的原子级别催化剂,设计更加合理的原位反应池进行原位表征实验从而辅助精准的机理解析,以及为了实现工业化生产,进行离子交换膜电解池相关的反应装置升级。

本文旨在为广大研究者对钴基催化材料在电催化二氧化碳还原领域中的设计与制备提供思路和参考。相关工作发表在Small (DOI:10.1002/smll.202004158)。本文第一作者为加拿大国立科学研究院博士研究生陈张森。