Advanced Functional Materials:一种通过加快动力学质子传输实现高电流密度CO₂电还原的新策略

近年来,由于化石燃料的过度使用导致CO2浓度迅速升高,从而产生了严重的环境问题。同时,随着能源的大量消耗,可持续能源的开发和利用迫在眉睫。电化学CO2转化为具有更高附加价值的化学品作为一种可持续能源转化技术,将能源利用和污染治理结合起来,近年来引起了极大关注。

然而,由于缺乏合适的催化剂和缓慢的反应动力学,导致过程需要大量能量输入,电化学CO2转化技术的工业化应用受到了严重阻碍。特别是,如何加快多电子-质子耦合过程中的加氢过程成为催化反应的主要瓶颈。尽管已经有大量的科学研究致力于揭示和改进重要的质子化化步骤,然而相比之下,从动力学的角度理解活性组分在质子化过程中起到的作用仍然是一个巨大的挑战。

目前,过渡金属和异质原子共掺杂纳米碳材料得到了广泛研究。由于其独特的3d轨道,过渡金属活性中心能够有效吸附反应中间体,有利于克服固有的反应能垒。而如何进一步加快吸附中间体在过渡金属活性中心的质子化过程,达到加速动力学的目的,仍然是一个值得探索的问题。在单原子催化体系中引入额外的助催化剂可以建立一个双位点结构,从而为单原子中心提供足够的质子,从而有效地使C=O键打开,这可能是一个有希望的策略,以提高本征CO2RR活性。

浙江大学化工学院侯阳课题组报道了一种氧化物辅助单原子位点加快吸附中间体质子化策略,成功优化了反应中间体在过渡金属-氮-碳催化中心的质子化过程。其中氧化锆纳米颗粒被成功负载在镍-氮共掺杂的纳米碳上,由于氧化锆纳米颗粒和镍单原子的协同效应,ZrO2@Ni-NC催化剂展现了优异的电催化CO2还原制备CO性能。该催化剂在-1.0 V时CO的法拉第效率达到了98.6% ± 1.3,并且其还原电势窗口宽,可以在-0.7 V到-1.4 V之间CO法拉第维持在90%以上。如此宽的电势窗口和优异的选择性,优于大多数之前报道的镍单原子掺杂的纳米碳基催化剂,并且利用气体扩散电极将电流密度提高到200 mA cm-2(F.E. of 96.8% at -1.58 V)。此外,通过原位电化学红外ATR-FTIR测试,从实验上证明ZrO2纳米颗粒不仅对CO2RR活性有促进作用,且对CO2在ZrO2@Ni-NC材料上的电催化反应路径也有影响。ZrO2纳米颗粒的引入将质子供体由H2O转变为HCO3,同时加速了HCO3解离反应动力学,从而促进了质子化过程。据我们所知,从动力学角度提高反应动力学以增强CO2RR固有活性的研究还很少,相应的催化机理也很少报道。

论文信息:

A New Strategy for Accelerating Dynamic Proton Transfer of Electrochemical CO2 Reduction at High Current Densities

Xinyue Wang, Shaohua Feng, Weichao Lu, Yingjie Zhao, Sixing Zheng, Wanzhen Zheng, Xiahan Sang, Lirong Zheng, Yu Xie, Zhongjian Li, Bin Yang, Lecheng Lei, Shaobin Wang, Yang Hou*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202104243

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202104243