中国科学院宁波材料技术与工程研究所的CO2电还原催化剂研究获进展

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所在CO2还原领域取得进展。该团队提出一种新颖且有效的氨热处理策略来获得富含拓扑缺陷的三维多孔碳材料，为制备高效的CO2电还原反应催化剂提供了新思路。该研究成果近期发表于《先进材料》上。

CO2电还原技术是以水和CO2为原料，在还原电位下转化并获得一氧化碳、甲烷、甲酸、甲醇、乙烯、乙醇、醋酸等产物，反应关键是在阴极进行的CO2还原反应。该反应条件温和，在解决新能源弃电浪费的同时，还可缓解温室气体CO2造成的环境问题并获得高附加值的碳氢化合物。但由于CO2拥有高度稳定的化学结构，不易发生化学反应，需要开发高性能的CO2电还原反应催化剂来加速该反应的进行。在实际应用中，这种催化剂需兼顾材料成本、产品选择性、生成速率和长期耐用性等多方面的要求。

相较于金属基电催化剂，碳材料拥有储量丰富、多孔结构、结构稳定以及环境友好等优点。但芳香环化合物具有惰性，难以用作催化材料。缺陷工程可以有针对性地将缺陷引入碳材料中，拓扑缺陷具有局部非对称的电子结构，可以调节碳材料的本征催化活性，如碳原子的电荷密度和自旋密度，从而产生催化活性中心。然而，较高的缺陷易形成能量，在碳材料中引入高浓度的拓扑缺陷还是一个难点。

在较低处理温度下(<750 ℃)，氨气热处理通常用于获得氮掺杂的碳材料。研究团队发现，提升氨热处理的温度，可以诱导氨气去除N掺杂三维多孔碳材料中的吡咯-N和吡啶-N掺杂原子，从而可以产生高浓度的拓扑缺陷三维多孔碳材料。

通过反应分子动力学模拟，并结合近边X射线吸收精细结构表征和投影态密度分析，研究人员发现碳结构中的N原子被诱导去除后会产生活化的低配位碳原子，通过局部结构重排产生五元环、585等拓扑缺陷。富含拓扑缺陷的三维多孔碳材料表现出优异的CO2电还原反应催化活性。该研究不仅为碳材料的缺陷工程提供了新的途径，而且加深了对富含拓扑缺陷碳材料进行CO2电还原反应催化机制的深入认识。

[中国石化有机原料科技情报中心站供稿]