近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所在CO2還原領(lǐng)域取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出一種新穎且有效的氨熱處理策略來(lái)獲得富含拓?fù)淙毕莸娜S多孔碳材料，為制備高效的CO2電還原反應(yīng)催化劑提供了新思路。該研究成果近期發(fā)表于《先進(jìn)材料》上。

CO2電還原技術(shù)是以水和CO2為原料，在還原電位下轉(zhuǎn)化并獲得一氧化碳、甲烷、甲酸、甲醇、乙烯、乙醇、醋酸等產(chǎn)物，反應(yīng)關(guān)鍵是在陰極進(jìn)行的CO2還原反應(yīng)。該反應(yīng)條件溫和，在解決新能源棄電浪費(fèi)的同時(shí)，還可緩解溫室氣體CO2造成的環(huán)境問(wèn)題并獲得高附加值的碳?xì)浠衔?。但由于CO2擁有高度穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，需要開發(fā)高性能的CO2電還原反應(yīng)催化劑來(lái)加速該反應(yīng)的進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，這種催化劑需兼顧材料成本、產(chǎn)品選擇性、生成速率和長(zhǎng)期耐用性等多方面的要求。

相較于金屬基電催化劑，碳材料擁有儲(chǔ)量豐富、多孔結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。但芳香環(huán)化合物具有惰性，難以用作催化材料。缺陷工程可以有針對(duì)性地將缺陷引入碳材料中，拓?fù)淙毕菥哂芯植糠菍?duì)稱的電子結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)碳材料的本征催化活性，如碳原子的電荷密度和自旋密度，從而產(chǎn)生催化活性中心。然而，較高的缺陷易形成能量，在碳材料中引入高濃度的拓?fù)淙毕葸€是一個(gè)難點(diǎn)。

在較低處理溫度下(<750 ℃)，氨氣熱處理通常用于獲得氮摻雜的碳材料。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，提升氨熱處理的溫度，可以誘導(dǎo)氨氣去除N摻雜三維多孔碳材料中的吡咯-N和吡啶-N摻雜原子，從而可以產(chǎn)生高濃度的拓?fù)淙毕萑S多孔碳材料。

通過(guò)反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)模擬，并結(jié)合近邊X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)表征和投影態(tài)密度分析，研究人員發(fā)現(xiàn)碳結(jié)構(gòu)中的N原子被誘導(dǎo)去除后會(huì)產(chǎn)生活化的低配位碳原子，通過(guò)局部結(jié)構(gòu)重排產(chǎn)生五元環(huán)、585等拓?fù)淙毕?。富含拓?fù)淙毕莸娜S多孔碳材料表現(xiàn)出優(yōu)異的CO2電還原反應(yīng)催化活性。該研究不僅為碳材料的缺陷工程提供了新的途徑，而且加深了對(duì)富含拓?fù)淙毕萏疾牧线M(jìn)行CO2電還原反應(yīng)催化機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)。

[中國(guó)石化有機(jī)原料科技情報(bào)中心站供稿]