Advanced Energy Materials ：增强传质促进Ni-N₄原子级催化位点的工业级CO₂电还原

1、研究背景

温和条件下的电催化CO₂还原反应 (CO₂RR) 不仅是将 CO₂ 转化为具有经济价值化学品和燃料的有效途径，而且有助于解决因化石燃料过度消耗而导致的全球变暖问题。然而，由于CO₂分子的化学惰性，CO₂RR受到竞争性反应析氢反应 (HER) 和缓慢动力学过程的影响，从而降低了产物的选择性和转化效率。因此迫切需要开发高效的电催化剂以实现低过电位、高选择性和大电流密度的CO₂RR。

2、文章概述

近日，北京科技大学姜建壮教授、王康副教授课题组，中科院宁波材料技术与工程研究所陈亮研究员课题组合作，报道了一种逐步填孔的合成策略，用于制备Ni-N₄单原子催化位点负载在有序介孔碳CMK-3的催化材料A-Ni@CMK。实验结果显示，在H型电解池中，较宽的电化学电位范围内 (−0.5至−0.9 V versus RHE) 的CO产物法拉第效率(FE_CO)超过80%，并且在−0.6 V和−0.8 V处的CO部分电流密度 (J_CO) 分别达到24和51 mA cm⁻²。值得注意的是，A-Ni@CMK催化剂在流动相电解池的J _CO 在-0.8 V时可进一步达到工业化水平的366 mA cm^-2，超过了目前报道的所有Ni-N-C催化剂的J_CO，并且FE_CO超过95%，是性能最佳的CO₂RR电催化剂之一。与微孔碳负载的Ni-N₄催化材料的性能对比实验以及密度泛函理论的计算结果表明，介孔通道有利于反应物CO₂和气相产物CO的传质，提高了反应的动力学，从而提高了材料A-Ni@CMK的整体性能。研究成果对于进一步指导高性能的CO₂RR电催化材料的设计与合成具有参考和借鉴意义。