福建物構所串聯電催化CO2制乙烯取得新進展

將CO2透過電化學方法轉化為高附加值的C2+產物如乙烯，不僅對於“碳達峰”和“碳中和”目標的順利實現具有積極推動作用，而且能減輕人類對化石燃料的過度依賴，符合資源、能源發展戰略的角度，但目前電催化CO2制乙烯受限於單一活性位點的多電子轉移過程和緩慢的C-C耦合步驟，仍面臨活性低、選擇性差等難題。

近日，中科院福建物構所結構化學國家重點實驗室曹榮研究員和黃遠標研究員，在科技部重點研發計劃、國家自然科學基金專案、中科院青促會優秀會員專案、福建省科技廳面上專案資助下，設計一種有效的串聯催化策略來提升還原CO2制乙烯的選擇性，透過將非貴金屬單原子Ni高效催化CO2RR產CO和Cu奈米催化劑可以進行CO-CO耦合的優勢有效結合，進行串聯催化來提升CO2RR制乙烯的選擇性。實驗中，在卟啉基三嗪框架中心錨定Ni單原子(PTF-Ni)及其表面負載Cu奈米顆粒，製備了非貴金屬基的串聯電催化劑PTF(Ni)/Cu，催化時單原子Ni高效將CO2還原為中間體CO，生成的CO馬上被臨近的Cu奈米催化劑進行C-C耦合反應高效轉化為乙烯。因此，與非串聯催化劑PTF/Cu (卟啉中心無金屬原子的三嗪框架)主要產甲烷相比，乙烯的法拉第效率提高了5倍 (-1.1V vs. RHE)，由9.6% 提高到57.3%，優於目前已經報導其他大多數電催化劑。此外，PTF(Ni)/Cu表現出良好的穩定性，連續電解11 h後仍能保持約91%的初始活性。原位紅外實驗、對比實驗一氧化碳電還原和理論計算表明，PTF(Ni)有利於增加Cu奈米顆粒表面的*CO活性中間體，進而提升C-C耦合的機率，且明顯降低了生產乙烯所需要的能量，因此透過串聯催化，提升了CO2轉換為乙烯的活性。

串聯電催化劑提升CO2RR制乙烯示意圖

該工作為進一步提升電催化CO2產附加值高的多碳產物的選擇性提供了一條新的策略。這一成果近期發表在Angew. Chem. Int. Ed.上，並被選為Hot Paper。

此外，近年來該團隊致力於設計多孔框架材料應用於CO2催化轉化研究，取得了一系列進展（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 17108; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20915; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 23641; Sci. China Chem. 2021, 64，1332；ACS Energy Lett. 2020, 5, 1005; ACS Materials Lett. 2021, 3, 454; Small 2021, 2004933; Small 2020, 2005254; CCS Chem. 2019, 1, 384; Appl. Catal. B: Environ. 2020, 271, 118929）。

文章連結：

https://doi.org/10.1002/anie.202111136

多孔框架材料熱催化CO2轉化研究綜述

多孔框架材料因其具有高比表面積、規則有序可調孔道和豐富的官能團、單一活性位點等優點，在氣體儲存、分離及多相催化等領域中應用廣泛，是當今化學材料科學研究的熱點之一。

近年來，福建物構所結構化學國家重點實驗室曹榮研究員和黃遠標研究員，在科技部重點研發計劃、國家自然科學基金專案、中科院青年創新促進會優秀會員專案等支援下，在多孔框架材料用於催化轉化CO2的研究中取得了系列進展。近期，該團隊應邀在Energy Chem上發表了題為“Reticular frameworks and their derived materials for CO2 conversion by thermo—catalysis”的綜述論文。該文系統綜述了多孔框架材料及其衍生材料在熱催化轉化CO2反應中的應用，總結了網路框架催化劑的結構優勢及合成策略、應用於具體催化反應的標誌性成果以及機理等，並在此基礎上提出了新的研究觀點和對未來發展趨勢的展望。綜述涉及框架催化劑的金屬活性中心、功能有機官能團、主-客體雜化材料之間的協同催化，以及衍生碳材料或金屬氧化物負載型催化劑的協同催化等方面的內容。這對發展應用於CO2資源化利用的新型網路框架基催化劑的設計及合成具有重要的參考價值。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.enchem.2021.100064。

來源：新材料資訊綜合於福建物構所