Small:以少胜多,单原子电催化剂用于CO2多电子还原

利用可再生电力驱动电催化CO2还原制备高附加值的燃料和化学品是实现可持续能源经济的一条理想途径。与电催化CO2还原中常见的两电子还原产物(CO,HCOOH)相比,制备甲醇、甲烷、乙烯、乙醇等两电子以上的还原产物在化工领域具有更重要的意义。然而,多电子CO2还原过程涉及多步电子-质子转移过程和繁多的反应中间体,导致控制单一产物选择性成为非常大的难题。活性中心原子级分散的单原子催化剂是研究CO2还原反应极具前景的催化剂模型,其具有高的金属原子利用率、明确的活性中心、易调控的配位和独特的电子结构等,有助于调节CO2还原的反应路径和产物分布。氮掺杂碳材料负载的单原子金属催化剂(M-NC,M= Mn,Fe,Ni,Co,Zn,Bi,Sn,In,Sb等)被大量报道用于催化CO2还原制备CO或HCOOH,并具有接近100%的法拉第效率。然而,该类催化剂在CO2深度还原制备多电子反应产物方面还不成熟,除了多电子还原路径更为复杂外,单原子催化剂中活性中心高度分散的特性使得活性位点过于孤立而不利于复杂偶联反应的发生。系统认识如何设计单原子电催化剂实现高效、高选择性的CO2深度还原,并从原子层面深刻理解CO2还原的活性位点结构及反应机制,具有重要的意义。

近日,浙江大学孙文平研究员等总结了近年来单原子催化剂在电催化CO2深度还原制备高价值化学品方面的研究进展及其设计策略。

作者总结了四种实现多电子CO2深度还原的单原子催化剂设计策略——金属中心调控、单原子合金、非金属单原子催化剂以及串联催化等。具体来说,目前对Cu基单原子催化剂的研究最为深入,与传统的纳米结构Cu催化剂相比,单原子Cu催化剂可以通过调控其配位环境在CO2还原中表现出较高的选择性和独特的反应路径。其次,除了单原子催化剂中孤立的金属中心外,金属中心周围的相邻原子与CO2深度还原的关键反应中间体也可发生相互作用,从而协同催化反应中间体的偶联制备多碳产物。第三,在单原子合金和非金属单原子催化剂中掺杂的单原子位点主要通过助催化作用参与中间体调控或调节Cu基催化剂的电子结构,以优化反应中间体的吸附行为。串联催化剂的设计大大扩展了单原子催化材料的应用,有利于打破CO2深度还原反应中间体吸附能的线性关系。最后,作者对单原子催化剂在多电子CO2深度还原中应用所面临的关键挑战和机遇进行了展望,包括:(1)丰富配位化学和协同效应,即拓展单原子中心邻近金属或非金属原子种类;(2)考虑实际反应环境的理论模拟结合先进的原位监测技术(环境电镜、同步辐射、在线质谱等)用于加强对反应机理的认识;(3)探索非Cu基催化剂和新型催化剂体系,即单原子中心结合非Cu基载体以及纳米催化中的限域效应、应力效应、异质界面等策略。

通信作者简介

(https://person.zju.edu.cn/wenpingsun)

孙文平,浙江大学材料科学与工程学院研究员,博士生导师,入选国家和浙江省人才计划以及浙江大学“百人计划”。分别于2008年和2013年在中国科学技术大学材料科学与工程系获学士和博士学位。长期从事电化学能源器件及关键材料的研究,在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy Mater., Nano Lett.等期刊以通讯作者或第一作者发表论文80余篇。

招聘

因项目研究工作需要,拟招聘燃料电池与电解池(聚合物和固体氧化物)、电催化与电合成、全固态电池等研究方向博士后2-3名。工资及福利待遇按浙江大学博士后相关规定执行,一人一议,请发送个人简历及代表性论文至wenpingsun@zju.edu.cn。

论文信息:

Single-atom electrocatalysts for multi-electron reduction of CO2

Bingxing Zhang, Baohua Zhang, Yinzhu Jiang, Tianyi Ma, Hongge Pan, and Wenping Sun*

Small

DOI: 10.1002/smll.202101443

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202101443