張黎明課題組：石墨炔/石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)負(fù)載單分散分子催化劑用于高效CO2電催化還原
?????? 近年來(lái)，電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)（CO2R）被認(rèn)為是一種能夠緩解溫室效應(yīng)的有效途徑，但其反應(yīng)效率往往受限于復(fù)雜的反應(yīng)路徑和緩慢的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，而阻礙了通過(guò)CO2R進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)。因此，科學(xué)家們迫切需要發(fā)展一種兼具高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性的CO2R催化劑。其中，酞菁和卟啉基有機(jī)金屬配合物具有在分子水平上的顯著優(yōu)勢(shì)，有望成為潛在的CO2R高效催化劑。為了構(gòu)建高效的CO2R催化體系，需要通過(guò)載體來(lái)錨定有機(jī)金屬配合物。載體的設(shè)計(jì)主要基于兩個(gè)方面：一是具備高導(dǎo)電性，以促進(jìn)CO2R中的電荷傳輸；二是能夠增加催化劑暴露的活性位點(diǎn)，使活性位點(diǎn)利用率達(dá)到最大。因此，探索能夠以單分子分散形式錨定有機(jī)金屬配合物的高導(dǎo)電載體，是獲得具有高活性、高選擇性和高穩(wěn)定性CO2R體系的關(guān)鍵。
???????近日，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系張黎明課題組與北京大學(xué)張錦課題組、南洋理工大學(xué)李述周課題組合作，利用石墨炔/石墨烯（GDY/G）異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為二維導(dǎo)電載體錨定酞菁鈷分子（CoPc），實(shí)現(xiàn)高效電化學(xué)還原CO2制備CO。在H型電解池中，在該催化劑上的一氧化碳分電流密度達(dá)到12 mA·cm-2，CO的法拉第效率高達(dá)96%；流動(dòng)相電解池中CO的分電流密度高達(dá)100 mA·cm-2時(shí)，CO法拉第效率可依舊保持97%的高選擇性，并能有效保持至少24小時(shí)的穩(wěn)定性。催化劑活性中心鈷的轉(zhuǎn)換頻率在-1.0 V vs. RHE下高達(dá)37 s-1，優(yōu)于絕大多數(shù)報(bào)道過(guò)的基于酞菁和卟啉基的CO2R催化劑?；赬射線吸收光譜實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論計(jì)算，結(jié)果表明石墨炔與酞菁鈷之間存在強(qiáng)電子耦合，同時(shí)石墨烯自身的高導(dǎo)電性和比表面積進(jìn)一步促進(jìn)了該催化劑的電化學(xué)催化性能。此外，基于該研究結(jié)果，作者認(rèn)為GDY/G異質(zhì)結(jié)構(gòu)可作為載體進(jìn)一步拓展到CoPc以外的其他有機(jī)金屬配合物，設(shè)計(jì)用于可持續(xù)能源發(fā)展的高效單分子分散CO2R催化劑。
?????? 相關(guān)研究成果以“Graphdiyne/Graphene Heterostructure: A Universal 2D Scaffold Anchoring Monodispersed Transition-Metal Phthalocyanines for Selective and Durable CO2?Electroreduction ”為題在線發(fā)表于Journal of the American Chemical Society期刊上（DOI: 10.1021/jacs.1c02326）?；瘜W(xué)系張黎明青年研究員、北京大學(xué)張錦教授和南洋理工大學(xué)李述周教授為論文共同通訊作者。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的大力支持。
全文鏈接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c02326.
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