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福建物構所在二維金屬烯電催化劑還原CO2研究中獲進展

2020-06-12 福建物質結構研究所
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  近年來,二維(2D)材料因其獨特的物化性質大量應用在電催化領域。尤其是具有原子層厚的2D金屬烯材料(metallenes),其良好的導電性、豐富的缺陷和配位不飽和位點、極高的原子利用率、特殊的量子尺寸效應和應力作用等,賦予這類材料獨特且優異的電催化性能,可作為一類極具前景的新穎電催化材料,并已嶄露頭角。金屬鉍(Bi)納米材料可通過電催化過程將CO2以較高活性轉化為甲酸,從而引起了人們的關注。但目前報道的絕大多數Bi基電催化劑由于其顆粒度或厚度偏大導致活性位點暴露不足,嚴重限制了其電催化性能。因此,具有超薄二維結構的鉍烯材料(Bi-ene,bismuthene)將是一類非常有潛力的高效CO2還原反應(CO2RR)電催化劑,但目前研究面臨的難點之一在于如何設計并合成具有超薄結構的寡層乃至單層Bi-ene 納米材料。

  基于此,中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員朱起龍與日本產業技術綜合研究所教授徐強合作,在國家自然科學基金等的資助下,首次以2D鉍基金屬-有機薄層材料(Bi-MOLs,Bi-based metal–organic layers)為前驅體,通過原位電化學轉化成功制備了具有類石墨烯結構的超薄寡層Bi-ene納米片,其厚度僅為1.28-1.45 nm,對應3-4個原子層。該Bi-ene獨特的結構不僅賦予其極高的電化學活性面積,還大幅提升了金屬原子的本征活性。將其直接作為電催化劑用于CO2RR,可表現出非常優異的電催化性能:電流密度可超過70 mA cm-2,在-0.83-1.18 V的寬電位范圍內均能以~100%的法拉第效率將CO2轉化為甲酸,同時具有很高的催化穩定性。進一步使用自行設計的液流電解池,Bi-ene可提供超過300 mA cm-2的高電流密度,初步滿足工業應用要求(200 mA cm-2),具有很高的應用前景。另外,通過原位紅外測試以及理論計算,團隊成員發現了一個甲酸根生成的新機制:即電解液中的部分HCO3-基團可直接參與反應得到甲酸根產物,這與目前已經報道的HCO3-基團僅作為質子源或者通過平衡CO2來加速反應的機理有所不同。

  綜上所述,該工作為高性能CO2RR電催化劑以及超薄二維金屬烯材料的制備提供了新的思路;同時也進一步認識了CO2RR過程,為提升CO2RR整體性能提供了實驗與理論支持。相關工作已在線發表在《德國應用化學》(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.202005577上,該論文第一作者為朱起龍指導的在讀博士生曹昌盛。

  此外,該課題組近期還系統總結了近年來MOFs用于光、電催化CO2還原反應的研究進展。相關結果發表在EnergyChem 2020, 2, 100033。

  論文鏈接:1 2

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