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(FECO)超过80%,并且在−0.6 V和−0.8 V处的CO部分电流密度 (JCO) 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JCO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JCO,并且FECO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。

3、图文导读

图1. (a) A-Ni@CMK合成示意图。(b, c, d) A-Ni@CMK的TEM, HAADF-STEM, 和SAED图。(e, f) A-Ni@CMK的AC-HAAD-STEM 图。(g) A-Ni@CMK的EDS映射。
图2. (a) A-Ni@CMK 的高分辨率N1s XPS光谱。(b) A-Ni@CMK 和 A-Ni@CB 的高分辨率Ni2p XPS光谱。(c,d) A-Ni@CMK, A-Ni@CB, NiPc, Ni foil 和 NiO 的Ni K-edge XANES光谱以及EXAFS光谱的傅立叶变换图。
图3. 在H型电池中的催化性能:(a) N2(虚线)和CO2下(实线)的LSV曲线。(b, c) A-Ni@CMK和 A-Ni@CB的FECO, FEH2和JCO。(d) A-Ni@CMK在-0.7 V versus RHE的稳定性。
图4. 在流动相电解池的催化性能:(a) 流动相电解池配置示意图。(b) A-Ni@CMK电催化CO2RR性能。(c) A-Ni@CMK与已报道材料的性能对比。(d) A-Ni@CMK在-0.5 V versus RHE的稳定性。
图5 Ni-N4模型上(a) CO2RR和(b) HER的自由能图. (c) (30, 30) CNTs-Ni和 (d) (15, 15) CNTs-Ni的CO2扩散系数.

论文信息:

Enhancement of Mass Transfer for Facilitating Industrial-level CO2 Electroreduction on Atomic Ni-N4 Sites

Baotong Chen, Boran Li, Ziqi Tian, Wenbo Liu, WenPing Liu, Weiwei Sun, Kang Wang*, Liang Chen*, Jianzhuang Jiang*

Advanced Energy Materials

DOI: 10.1002/aenm.202102152

文章网址:https://doi.org/10.1002/aenm.202102152