黄远标课题组：单原子催化剂高效电催化CO2取得进展

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由于传统能源的大量使用导致大气中CO2的浓度急剧增加，导致温室效应和环境气候恶化等问题，因此需要采取措施降低CO2的浓度。将CO2转化为可用的化学品是变废为宝的方法。利用可持续能源产生的电进行电催化CO2转化具有温和、环保等优点。然而目前仍然存在着选择性不高、过电位高、电流密度小等缺点需要克服，因此寻找合适的催化剂是关键。

　　单原子催化剂具有最大的原子利用率，在很多催化反应中表现为高活性、高选择性，然而不同的单原子金属催化剂活性有差别，原因仍然有待明确。最近，中国科学院福建物质结构研究所结构化学国家重点实验室曹荣和黄远标团队在科技部重点研发计划、基金委、中科院先导及前沿计划项目、中科院青促会优秀会员项目支持下，采用之前该团队制备多孔卟啉基三嗪框架材料稳定的单原子的方法（ACS Energy Lett., 2018, 3, 883-889；J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 1252），制备了该载体稳定的Ni、Cu、Fe 和Co 等系列单原子催化剂，并系统地研究了其电催化还原二氧化碳的性能。相较于其他金属单原子催化剂，所制备的Ni单原子催化剂在较宽的电压测试范围内（-0.6 — -1.2 V vs. RHE），其产CO法拉第效率均高于90%，且在-0.8 V 时选择性接近 100%（98%），在-1.2 V 时，其 TOF 值高达13462 h-1。计算表明Ni 和Fe 催化剂的电化学电势要小于Co 和Cu 催化剂，所以Ni 和Fe 催化剂表现为更高的活性；而Ni 催化剂对于HER 的能垒比CO2RR 的高，所以很好地抑制了氢气的产生，而Fe催化剂解吸CO 的能垒较高，因此Ni 催化剂表现出高的CO2RR 能力。该工作为设计合成高效的单原子非贵金属催化剂提供了新的思路，为发展新的高效电催化剂提供了重要参考。相关研究结果发表在中国化学会旗舰杂志CCS Chem., 2019, 1, 384–395上。


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未来可再生能源反应中的电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）作为碳中性路线引起了人们极大的研究兴趣。多质子和多电子的CO2RR途径在水溶液中与析氢反应（HER）竞争，在动力学上缓慢，从而需要更多的还原过电势。现有工作包括开发具有增强CO2RR活性的非均相电催化剂，例如金属，金属氧化物和硫属化物以及碳基材料；通过调整颗粒形态，尺寸，厚度，晶界和缺陷密度来优化催化剂的性能。另一方面，有效接触高浓度CO2对CO2RR很重要，但通过增加压力来增加CO2浓度的效果有限。由聚四氟乙烯（PTFE）处理的多孔碳膜形成的气体扩散层（GDL）广泛应用于增强气体向电化学界面的传输。然而，这种电极长期接触电解质会降低GDL的疏水性，因此会阻碍传质并导致稳定性降低。其他工作报道了在高pH值电解质中的电流密度高于接近中性的pH电解质，但高碱性溶液不可避免地与CO2的反应，因此需要恒定流动的高碱性电解质以补偿反应损失。

黄远标，博士，中国科学院福建物质结构研究所研究员。2009年博士毕业于复旦大学。同年加入中科院福建物构所，任助理研究员；2011年12月被评为副研究员，2014年-2015年在日本产业技术综合研究所开展JSPS 研究，2017年被评为研究员。现为中科院福建物构所硕士生导师，中科院“青年创新促进会”入选者，中科院海西研究院“春苗”人才获得者。主持三项国家自然科学基金，重点参与一项973计划。目前主要从事多孔催化材料的研究，在国际专业期刊J. Am, Chem. Soc; Chem. Sci.; Chem. Soc. Rev.; J. Catal.、 JMCA、等发表50余篇SCI论文（其中第一或通讯作者论文22篇），被引用1100余次，H因子为21。

曹荣，男，1966年8月生于福建长汀。现为中国科学院福建物质结构研究所所长、研究员、博士生导师、学术委员会副主任、学位评定委员会副主任；结构化学国家重点实验室学术委员会委员；《中国化学》、《无机化学学报》、《结构化学》编委，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、11月获博士生导师资格，曾在香港理工大学应用生物及化学科技系做博士后、日本名古屋大学物质科学国际研究中心做日本学术振兴会（JSPS）特别研究员。2002入选中国科学院福建物质结构研究所“百人计划”，2003年获国家杰出青年基金，2004年获政府特殊津贴，2006年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选。曾获中国青年科技奖（2006年）、中国化学会青年化学奖（1998年）、福建省青年科技奖（1998年）、运盛（福建）青年科技奖（2003年），作为主要完成者获国家自然科学奖二等奖一次（2002年，排名第三），中国科学院自然科学奖一等奖一次（2001年，排名第三）、二等奖一次（2000年，排名第二），发表SCI论文170多篇，论文被他人引用超过1600次。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。承担了国家973计划、国家杰出青年基金、中科院“百人计划”、国家自然科学基金重大项目、重点项目、面上项目、青年项目、省自然科学基金重点项目、中国科学院重要方向性项目等多项研究课题。

kwcha333

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