青島能源所實現高效電催化還原CO2生產CO

習近平總書記在第七十五届聯合國大會上莊嚴宣佈，中國將力爭於2030年前達到二氧化碳排放峰值，2060年前實現碳中和。在“碳達峰”和“碳中和”的大背景下，利用風電、太陽能發電等可再生能源驅動電催化CO₂生成具有經濟價值的一氧化碳、乙醇等燃料化學品具有重要的研究價值。

在過去的十年裏，大量的非均相催化劑被開發應用於CO₂電催化還原反應。雖然在提高產物選擇性、降低催化電位、增大催化反應電流密度等關鍵科學問題上取得了一系列的研究進展，但是CO₂電催化還原反應的電流密度仍然較小，無法滿足工業化應用要求。

針對上述科學難題，青島能源所劉立成研究員帶領的環境友好催化過程研究組開展了大量的研究工作，並取得了一系列具有國際影響力的研究成果（Adv. Energy Mater.，2020，10，1903664；Appl. Catal. B-Environ.，2020，279，119383；Small，2019，15，1903668；Angew. Chem. Int. Ed.，2018，57，12790等）。近日，該研究組原創性的提出對過渡金屬單原子催化劑的碳載體實施胺化改性來調控催化劑的電子結構，並開發出了一種普適性的氨基化改性方法，該方法可以有效的提升Ni、Fe、Zn等單原子催化劑電催化CO₂生成CO的本征電流密度。並在此研究基礎上，進一步優化裝配了氣體擴散電極的流動反應器成功的實現了工業應用級反應電流密度。胺化的鎳單原子催化劑在0.89 V的過電位下可以實現超過400 mA/cm²的活性電流密度，並且可以保持接近90%的電流效率。此外，深入的機理研究揭示了胺化改性增强催化劑對CO₂分子和中間體COOH*的吸附能力以及活性中心金屬單原子與碳載體氨基之間的電荷轉移是本征催化活性增强的主要原因。

相關研究成果已於近日發表於能源催化領域高影響力期刊Energy & Environmental Science，陳志鵬博士為該論文的第一作者，劉立成研究員為論文的唯一通訊作者。

該研究獲得了國家自然科學基金、中科院特別研究助理資助項目、中科院潔淨能源創新研究院合作基金、所內合作基金等項目的支持。（文/圖陳志鵬）

相關發表論文和專利：

1.Zhipeng Chen，Xinxin Zhang，Wei Liu，Mingyang Jiao，Kaiwen Mou，Xiangping Zhang and Licheng Liu*，Amination strategy to boost CO₂electroreduction current density of M-N/C single-atom catalysts to industrial application level，Energy & Environmental Science，DOI: 10.1039/D0EE04052E

原文連結：https://doi.org/10.1039/D0EE04052E

2.專利：氨基修飾的過渡金屬單原子催化劑體系，其製備方法及其應用，專利申請號：202010967276.2