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非金属介孔掺氮碳电催化二氧化碳还原生成乙醇

化石能源的大量消耗使温室气体如CO2的排放量急剧增加,引起全球气候变暖等日益严峻的环境问题。CO2的电催化还原以可再生的电能或富余核电等洁净电能为能源,在温和的反应条件下将CO2一步转化为CO、甲酸、碳氢化合物和醇类等高附加值的燃料及化学品,同时实现CO2的高效转化和洁净电能的有效存储,表现出极具潜力的应用前景,当前已成为相关领域的一个重要的研究热点。近日,中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室上海高研院-上海科技大学低碳能源联合实验室利用圆柱形介孔掺氮碳的有序纳米孔道创造出局域高表面电子密度构型,成功实现了CO2直接转化生成C2含氧化合物乙醇


电催化CO2还原的性能在本质上取决于所使用的电催化剂材料。目前,许多过渡金属、金属氧化物以及金属-碳复合物材料已经广泛地应用于CO2电还原过程。相比于金属催化剂,碳基质具有良好的稳定性,成本低、来源丰富且对环境友好。氮杂原子引入碳结构时,基于氮的电负性,可诱导毗邻的碳原子产生部分正电荷,这些带正电的碳物种具有非常高的电催化活性。近期报道的一些碳基非金属材料电催化CO2的还原反应,只能将CO2转化为C1产物或者选择性和法拉第效率都很低的C2产物。因此,开发一种能够高选择性和高效率地将CO2电还原为C2产品的碳基非金属催化剂是研究发展的趋势,但是目前仍旧存在挑战。


针对上述问题,作者通过制备一种具有圆柱形纳米孔道结构的掺氮有序介孔碳来改善其电子结构,进而促进CO2电还原过程中碳-碳键的偶联,生成C2产物。在-0.56 V (vs. RHE)的电势下,CO2电还原生成乙醇的法拉第效率为77%,而生成另一还原产物CO的过程得到完全的抑制,乙醇在CO2还原产物中的选择性高达100%。作者通过设计氩气气氛下的对比实验以及同位素标记实验,证明该C2产物乙醇来源于CO2,而非碳质或其他污染物。电化学阻抗分析以及DFT计算结果证实了圆柱形孔道结构的设计以及吡啶/吡咯氮原子结构的存在使催化剂具有高电子密度表面,对于促进CO2电还原中间产物CO*的耦合以及乙醇的生成具有重要的作用。该工作为建立高活性和高选择性生成含碳-碳键产物的电催化体系提供了新的思路。


这一成果近日发表在Angewandte Chemie International Edition 上,文章的第一作者是中国科学院上海高等研究院的宋艳芳博士。


该论文作者为:Yanfang Song, Wei Chen, Chengcheng Zhao, Shenggang Li, Wei Wei, Yuhan Sun

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Metal-Free Nitrogen-Doped Mesoporous Carbon for Electroreduction of CO2 to Ethanol

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 10840, DOI: 10.1002/anie.201706777


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