邓德会Cell Reports Physical Science: 揭示无金属氮掺杂碳材料在电催化二氧化碳还原中的活性位点

雨辰

2020-09-13

氮掺杂（N掺杂）碳材料已被广泛研究用于电催化CO₂R转化为CO。先前的研究表明，氮掺杂（N掺杂）碳材料在反应中表现出较高的催化性能。C晶格中的N掺杂剂主要以四种掺杂类型存在，包括石墨N（GN），具有独特的结构和电子特性的吡啶N（PN），吡咯N（ProN）和N-氧化物（N-Ox）。但是，由于N掺杂类型的复杂性和可控合成的挑战，氮掺杂碳中的活性位点仍存在争议。

有鉴于此，厦门大学邓德会研究员等人，通过一种创新的模板辅助酞菁热解方法，实现了N掺杂碳泡沫中N掺杂类型的可控制备。

本文要点

1）氮掺杂泡沫碳通过模板辅助法合成，将酞菁和SiO₂胶体分散在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，搅干后通过高温碳化形成氮掺杂碳，利用氢氟酸溶液除去SiO₂模板后，在高温下热解得到催化剂。在模板辅助热解方法的基础上，合成了一系列具有可控N掺杂类型（GN，PN，ProN和N-Ox）和含量可控的NC泡沫材料。

2）电化学实验表明，相对于吡啶氮和吡咯氮含量相对高的样品，石墨氮含量高的样品显示了更高的CO选择性。由石墨N而不是其他N类型占主导的催化剂驱使高选择性的CO₂R转化为CO，以对抗析氢反应，在-0.5 V（vs RHE）时可实现95％的CO法拉第效率，并且可稳定运行80 h。

3）理论计算表明，GN掺杂剂可显着增强相邻C原子对CO₂R对CO的电催化活性，而PN掺杂剂可促进相邻C原子处的析氢反应（HER），而ProN掺杂剂不利于两种竞争反应。

总之，该工作对于深入认识电催化CO₂还原的机制以及催化剂的合理设计具有重要的借鉴意义。

参考文献：

Zheng Zhang et al. Unveiling the Active Site of Metal-Free Nitrogen-doped Carbon for Electrocatalytic Carbon Dioxide Reduction. Cell Reports Physical Science, 2020.

DOI: 10.1016/j.xcrp.2020.100145

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100145