二氧化碳催化轉化進展：過渡金屬-氮-共摻雜型多

 　　【引言】

　　化石能源(煤、石油、天然氣等)的大量消耗使溫室氣體如二氧化碳(CO2)排放量急劇增加，引起全球氣候變暖等日益嚴峻的環境問題。通過電催化二氧化碳轉化，采用可再生的風電、太陽能發電或富余核電等潔凈電能為能源，在常溫、常壓條件下將CO2轉化為高附加值化學品，同時實現了二氧化碳的資源化利用和潔凈電能的有效存儲，極具應用前景。如何獲得高活性、高選擇性催化劑進而有效獲得高附加值的化學品是二氧化碳電催化轉化研究中的熱點課題。

　　二氧化碳還原產物包括一氧化碳(CO)、甲酸、甲醇、乙醇等碳氫化合物燃料及化學品。與碳氫化合物(甲烷、甲醇等)產物相比，二氧化碳轉化為一氧化碳僅需要兩個電子轉移，其實現更為容易。所得一氧化碳與伴隨析氫反應產生的氫氣可作為原料進一步通過費托合成獲得碳氫燃料。傳統電催化CO2還原常用的催化劑為Ag、Au、Cu及其合金。近年來摻雜型(如氮摻雜、金屬摻雜)多孔碳材料作為二氧化碳電催化還原催化劑引起了研究人員的廣泛興趣。雖然單純氮摻雜多孔碳表現出一定的活性，但是研究人員發現在氮摻雜的基礎上加入過渡金屬后，活性明顯提高。但是對于該過渡金屬-氮-碳(M-N-C)類型對二氧化碳催化活性及選擇性的機理性認識尚不明確。

　　【成果簡介】

　　基于此，德累斯頓工業大學郝廣平博士(共同通訊)、柏林工業大學Peter Strasser教授(共同通訊)、丹麥哥本哈根大學Jan Rossmeisl教授(共同通訊)研究組合作，以一系列過渡金屬-氮-碳(M-N-C，M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)材料為模型催化劑，通過實驗與計算系統研究了該M-N-C類型催化劑在二氧化碳還原成一氧化碳過程中的活性與選擇性，發現高分散的金屬-氮配位中心為活性位，對該類型材料的開發具有指導性意義。該工作近期發表于Nature Communications，第一作者為Wen Ju，Alexander Bagger(共同一作)。

　　圖1. 一系列過渡金屬-氮-碳(M-N-C, M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)電催化二氧化碳還原催化劑的形貌、多孔結構表征及微區結構示意圖

　　圖2. 一系列過渡金屬-氮-碳(M-N-C, M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu) 電催化二氧化碳還原催化劑的XPS表征

　　圖3. 該M-N-C (M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)系列電催化二氧化碳還原催化劑的活性分析

　　圖4. M-N-C (M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)電催化二氧化碳還原催化劑的選擇性研究

　　圖5. 實驗與理論計算結合解析M-N-C (M=Mn, Fe, Co, Ni, Cu)電催化二氧化碳還原催化劑的活性與選擇性規律

　　文獻鏈接：Wen Ju*, Alexander Bagger*, Guang-Ping Hao, et al. Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO2. Nature Communications, 2017, 8, 944.