摘要
大气中CO_(2)浓度不断上升导致大量的环境问题,如冰川融化、温室效应、极端天气等,利用电化学方法将CO_(2)经还原反应(CO_(2)RR)转化为有价值的燃料或化学品是解决该问题的可行策略.由于CO_(2)具有稳定的化学键(C=O,806 kJ mol^(-1)),需设计具有优异活性和高选择性的催化剂.近年研究结果表明,过渡金属锚定在N掺杂碳载体上而制得的催化剂(M-N-C)具有较高的原子利用率、独特的活性金属中心电子结构以及存储量丰富,因而被认为是CO_(2)还原为CO的理想电催化剂.目前已经提出了多种方法来制备M-N-C催化剂,包括原子层沉积、基于金属-有机骨架的离子交换、基于载体修饰策略的吸附固化和受限热解.然而,这些方法存在制备过程繁琐或难以大规模生产的问题.同时,采用高温热解制备的M-N-C催化剂,金属活性位点易被其致密的结构包裹,难以完全暴露出来.但有效的活性位点对M-N-C的催化性能起着至关重要的作用,因此有必要研制一种简便、高效的方法来抑制金属原子聚集.超薄二维碳骨架已被证明可以缩短反应物的扩散路径并有利于暴露催化剂活性位点.本文将NiZn层状双金属氢氧化物(NiZn-LDHs)在多羟基化合物中进行剥离形成单层,同时通过控制单层NiZn-LDHs、多羟基化合物和三聚氰胺共同热解,宏量化制得Ni-N-C催化剂.X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)结果表明,在焙烧过程中,可通过改变单层NiZn-LDHs在多羟基化合物中的含量控制Ni-N-C材料中镍纳米颗粒的生成;焙烧过程中Zn挥发能使Ni-N-C材料形成更多中孔,增加碳骨架比表面积和孔径.中孔通道和碳基底超薄特性结合可以促进CO_(2)向内部活性位点扩散,增加反应物与活性位点的接触.XPS结果表明,Ni-N-C材料中Ni原子通过与N配位,锚定在超薄碳骨架上,且存在Niδ+中心(0<δ<2).X射线近边吸收和扩展X射线吸收精细结构分析表明,Ni-N-C-1中的Ni处于低价态(0<δ<2),这与XPS分析一致,且Ni为原子级分散;小波变换分析表明,Ni和N的配位数为3.9.利用H型电解池评估Ni-N-C材料电催化CO_(2)还原性能表明,Ni-N-C-1具有优异的CO_(2)还原活性,在-0.6至-1.0 V电位范围内,FE_(CO)都大于90%,且在-4.9 V时,FE_(CO)为95.2%,CO电流密度为24 mA cm^(-2);在-0.8 V电位,工作25 h后Ni-N-C-1的CO电流密度基本保持不变,说明Ni-N-C-1为稳定的CO_(2)RR催化剂.通过密度泛函理论计算研究了Ni-N-C材料电催化CO_(2)还原为CO的电化学演化历程,结果表明,该反应过程分四个步骤:CO_(2)吸附到单个Ni原子位点上;转移形成*COOH的质子/电子对;*COOH在释放H_(2)O的同时获得质子形成*CO;*CO从Ni位点解吸.相应步骤的吉布斯自由能分别为0.54,1.69,-0.99和-0.98 eV.Ni-N-C中Ni原子与配位N原子之间的强相互作用导致Ni原子的电子损失,Ni原子有0.85 e缺陷,周围的N原子有0.15 e堆积,这有利于CO_(2)的吸附.总之,本文采用单层NiZn-LDHs为金属源,开发了一种简便且可宏量化制备CO_(2)RR单原子催化剂的新方法.
Atomically dispersed catalytic metal sites anchored on N-doped carbon support catalysts(M-N-C)show great prospects for CO_(2)electroreduction.Here,single-layer NiZn layered double hydroxides(NiZn-LDHs)was used as a sacrificial assistant to fabricate single-Ni atom anchored on ultrathin porous carbon catalyst.NiZn-LDHs were exfoliated to single-layer by polyhydroxy compounds which took as the carbon resource in Ni-N-C,and single layer NiZn LDHs taking as the Ni resource could avoid the agglomeration of Ni atoms during calcining.The CO Faradaic efficiency(FECO)of the synthesized Ni-N-C catalyst exceeded 90%at-0.6 to-1.0 V and a FE_(CO) of 95.2%with a current density of 24 mA cm^(-2)at-0.9 V.This work not only provides a new method for preparing M-N-C catalysts,but also offers an effective and controllable strategy for large-scale production of high-performance single-atom catalysts.
作者
张平
陈浩
陈林
熊鹰
孙子其
杨浩宇
付莹珂
张亚萍
廖婷
李斐
Ping Zhang;Hao Chen;Lin Chen;Ying Xiong;Ziqi Sun;Haoyu Yang;Yingke Fu;Yaping Zhang;Ting Liao;Fei Li(State Key Laboratory of Environment‐friendly Energy Materials,School of Materials Science and Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,Sichuan,China;School of Chemistry and Physics,Faculty of Science,Queensland University of Technology,Brisbane,Qld 4000,Australia;School of Mechanical,Medical and Process Engineering,Faculty of Engineering,Queensland University of Technology,Brisbane,Qld 4000,Australia;State Key Laboratory of Fine Chemicals,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning,China)
基金
国家自然科学基金(U20A20125)。
