中科院福建物构所曹荣团队：有序多级孔碳材料锚定缺陷Ni-N3单原子高效电还原CO2

采用可再生电能将CO₂电还原（CO₂RR）为附加值高的化学品，是一种清洁、温和的缓解环境和能源问题的方法。近年来，单原子催化剂（SAC）已成为较有潜力的CO₂RR催化剂，然而大多数SAC是固载在微孔材料中且呈饱和配位模式，这严重限制了活性位点的暴露，阻碍了传质过程，导致其CO₂RR活性仍不能满足商业应用的要求。

近日，中科院福建物构所曹荣研究员和黄远标研究员等人从形貌出发成功构建了锚定缺陷Ni-N₃单原子活性位点的三维有序微-介-大孔结构的碳材料（Ni-N/OMC），可以充分暴露活性位点，并缓解CO₂RR过程中物质传输阻力。有序的微-介-大孔结构中丰富的微孔暴露了大量的Ni活性位点，介-大孔促进长程传质，有利于促进内部活性位点的可及性。他们将Ni掺杂的MOF材料ZIF-8吸附到三维有序聚苯乙烯球（PS）模板中原位生长得到Ni-ZIF-8@PS，在氮气下高温炭化得到了具有微孔（0.6 nm）和介孔（50 nm）相互连接的大孔（200 nm）结构的Ni-N/OMC（图1）。通过相互连接的微孔和大孔提高了CO₂和电解质的传质速率，从而提高了CO₂还原CO的电化学性能。最佳的Ni-N/OMC-1在流动池中达到了工业水平的CO电流密度（208 mA cm^‒2）以及1.5×10⁵ h^‒1超高的转换频率(turnover frequency, TOF)，优于大多数报道的镍基电催化剂（图2）。

图1  三维有序微-大孔结构的镍单原子电催化剂Ni-N/OMC-1的SEM和TEM图

图2  催化剂在流动池中的电化学CO₂还原性能

结果表明，具有三维有序多级结构的电催化剂可以促进物质的传输，提高活性位点的可及性，从而提高CO₂RR性能。作者通过理论计算，发现与Ni-N₄位点相比，缺陷Ni-N₃位点能显著降低*COOH生成的能垒，从而加快CO₂RR的生成。同时Ni-N/OMC可作为Zn-CO₂电池的阴极催化剂，在放电过程中表现出达到90%以上较高的CO选择性和良好的稳定性。此工作说明合理设计具有有序多级孔结构的电催化剂对高效的CO₂RR具有重要意义，这一策略为实现工业水平的CO电流密度开辟了一条道路。

详见：Qiu-Xia Li, Duan-Hui Si, Wan Lin, Yao-Bing Wang, Hong-Jing Zhu, Yuan-Biao Huang, Rong Cao. Highly efficient electroreduction of CO₂ by defect single-atomic Ni-N₃ sites anchored on ordered micro-macroporous carbons. Sci. China Chem., 2022, 65, DOI:10.1007/s11426-022-1263-5.

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通讯作者简介

曹荣 研究员，博士生导师。现任中科院福建物构所所长，学术委员会委员，1986年毕业于中国科学技术大学近代化学系，1989年获中国科学院福建物质结构研究所硕士学位，1993年获中国科学院福建物质结构研究所博士学位后分配在物构所工作，1994年7月晋升为副研究员，1998年2月晋升为研究员。主要研究领域为无机-有机杂化材料及超分子化学、纳米分子材料、有机-无机复合膜及介孔材料等。

黄远标 博士，研究员，博士生导师。2009年博士毕业于复旦大学，同年加入中科院福建物构所；2012年被评为副研究员；2014年~2015年在日本产业技术综合研究所开展JSPS研究，2017年先后被评为研究员，博士生导师。目前主要从事多孔框架催化材料（MOF、COF）应用于CO₂的热、光、电催化转化研究。