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寧波材料所CO2電還原研究獲進展 2020-06-16

  近日,中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員陳亮團隊在二氧化碳(CO2)還原領域取得新的進展。該團隊提出一種新穎且有效的氨熱處理策略來獲得富含拓撲缺陷的三維多孔碳材料,為制備高效的二氧化碳還原反應電催化劑提供了新思路。

  用清潔電能將二氧化碳轉化為碳氫燃料,在解決由于間歇性問題造成的新能源棄電浪費的同時,還可以緩解溫室氣體二氧化碳造成的環境問題并獲得高附加值的碳氫化合物。二氧化碳電還原技術的核心是在陰極進行的二氧化碳還原反應,即以水和二氧化碳為原料,在還原電位下轉化并獲得一氧化碳、甲烷、甲酸、甲醇、乙烯、乙醇、乙酸等產物。然而,二氧化碳擁有一個高度穩定的化學結構,不易發生化學反應,需要開發高性能的二氧化碳還原反應電催化劑來加速該反應的進行。在實際應用中,這種電催化劑需兼顧催化劑成本、產品選擇性、生成速率和長期耐用性等多方面的要求。

  相較于金屬基電催化劑,碳材料擁有眾多優異的特性,如儲量豐富、多孔結構、結構穩定以及環境友好。然而,完整的碳芳香環化學活性比較惰性,難以用作催化材料。缺陷工程可以有針對性地將缺陷引入到碳材料中,打破芳香環中的電子對稱性并調整碳原子的電荷密度和自旋密度,從而產生催化活性中心。拓撲缺陷具有局部非對稱的電子結構,可以調節碳材料的本征催化活性。然而,由于較高的缺陷形成能量,在碳材料中引入高濃度的拓撲缺陷還是一個難點。

  在較低處理溫度下,氨氣熱處理通常用于對碳材料進行氮摻雜,來獲得氮摻雜的碳材料。研究團隊發現,提升氨熱處理的溫度,可以誘導氨氣去除N摻雜三維多孔碳材料中的吡咯-N和吡啶-N摻雜原子,從而可以產生高濃度的拓撲缺陷。通過反應分子動力學模擬,并結合近邊X射線吸收精細結構表征和投影態密度分析,研究人員發現碳結構中的N原子被誘導去除后會產生活化的低配位碳原子,然后通過局部的結構重排產生五元環、585等拓撲缺陷。富含拓撲缺陷的三維多孔碳材料表現出優異的二氧化碳還原反應電催化活性。該研究不僅為碳材料的缺陷工程提供了新的途徑,而且加深了對碳缺陷進行二氧化碳還原反應電催化機制的深入認識。


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