张黎明课题组：石墨炔/石墨烯复合结构负载单分散分子催化剂用于高效CO2电催化还原

light66

近年来，电化学二氧化碳还原反应（CO2R）被认为是一种能够缓解温室效应的有效途径，但其反应效率往往受限于复杂的反应路径和缓慢的动力学过程，而阻碍了通过CO2R进一步实现“碳中和”的目标。因此，科学家们迫切需要发展一种兼具高活性、高选择性和高稳定性的CO2R催化剂。其中，酞菁和卟啉基有机金属配合物具有在分子水平上的显著优势，有望成为潜在的CO2R高效催化剂。为了构建高效的CO2R催化体系，需要通过载体来锚定有机金属配合物。载体的设计主要基于两个方面：一是具备高导电性，以促进CO2R中的电荷传输；二是能够增加催化剂暴露的活性位点，使活性位点利用率达到最大。因此，探索能够以单分子分散形式锚定有机金属配合物的高导电载体，是获得具有高活性、高选择性和高稳定性CO2R体系的关键。

       近日，复旦大学化学系张黎明课题组与北京大学张锦课题组、南洋理工大学李述周课题组合作，利用石墨炔/石墨烯（GDY/G）异质结构作为二维导电载体锚定酞菁钴分子（CoPc），实现高效电化学还原CO2制备CO。在H型电解池中，在该催化剂上的一氧化碳分电流密度达到12 mA·cm-2，CO的法拉第效率高达96%；流动相电解池中CO的分电流密度高达100 mA·cm-2时，CO法拉第效率可依旧保持97%的高选择性，并能有效保持至少24小时的稳定性。催化剂活性中心钴的转换频率在-1.0 V vs. RHE下高达37 s-1，优于绝大多数报道过的基于酞菁和卟啉基的CO2R催化剂。基于X射线吸收光谱实验和密度泛函理论计算，结果表明石墨炔与酞菁钴之间存在强电子耦合，同时石墨烯自身的高导电性和比表面积进一步促进了该催化剂的电化学催化性能。此外，基于该研究结果，作者认为GDY/G异质结构可作为载体进一步拓展到CoPc以外的其他有机金属配合物，设计用于可持续能源发展的高效单分子分散CO2R催化剂。
       相关研究成果以“Graphdiyne/Graphene Heterostructure: A Universal 2D Scaffold Anchoring Monodispersed Transition-Metal Phthalocyanines for Selective and Durable CO2 Electroreduction ”为题在线发表于Journal of the American Chemical Society期刊上（DOI: 10.1021/jacs.1c02326）。化学系张黎明青年研究员、北京大学张锦教授和南洋理工大学李述周教授为论文共同通讯作者。该项研究得到国家自然科学基金、上海市科委、国家重点研发计划等项目的大力支持。
        全文链接https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c02326.
        
       文章来源：复旦大学

       张黎明，1985年7月生，夏津人，复旦大学化学系研究员、博士生导师。 2012年于北京大学获得理学博士学位，随后赴美先后在加州大学伯克利分校和斯坦福大学进行博士后阶段的研究，2017年9月起任复旦大学化学系研究员，博士生导师。在二维纳米材料的可控生长与表面修饰、太阳能光电转化、光催化水分解及二氧化碳还原等领域开展了一系列原创性工作。博士与博士后阶段在顶级国际学术期刊上发表论文20余篇,授权专利2项。
      张锦，北京大学博雅特聘教授，中国科学院院士，国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授、英国皇家化学学会会士。他长期在纳米碳材料的物理化学领域开展研究工作，坚持探索碳纳米管等纳米碳材料的结构控制生长规律，发展纳米材料结构与物性的谱学表征方法，通过催化剂的设计，突破了碳纳米管结构控制与高效生长的难题，推动了我国纳米碳材料基础研究的进步。目前，张锦教授在Nature和Nat. Mater.等刊物已发表论文260余篇，论文他引12450余次，授权专利30余项，荣获国家自然科学奖二等奖（两项）、全国优秀博士学位论文指导教师、中国化学会青年化学奖、教育部“新世纪优秀人才资助计划”、北京大学“十佳”导师等奖励。