调控单位点M-N-C电催化剂的电子结构提升二氧化碳还原性能

摘要

全球的动力来源主要依靠化石能源,然而无节制地开采引起了一系列的能源危机和环境问题,例如,能源枯竭、气温逐年升高、气候恶化和海洋酸化等,这已经威胁了人类的可持续发展,因此寻找可再生能源和减缓二氧化碳的排放成为目前的关键问题,反应条件相对温和的电催化二氧化碳还原反应(CO_(2)RR)可将CO_(2)转化为具有工业价值的产品,例如C1、C2和C^(2+),这是解决“碳中和”的一种有效措施。电催化CO_(2)RR是一个复杂的多个电子/质子转移过程,反应机理相对复杂,涉及很多反应中间体,影响产物的选择性,CO_(2)RR的大规模应用需要开发低成本和高效的电催化剂。具有大比表面积、100%的原子利用率、不饱和配位、相对均匀的活性位点的原子分散的金属和氮共掺杂碳(M-N-C)材料是一种很有前途的催化剂。M-N-C材料具有可调变性,通过调节中心金属离子或中心金属离子的配位环境,中心金属离子的电子性质和原子结构将会发生变化,这为设计具有高效催化CO_(2)性能的催化剂提供了新的途径。因此,探讨在原子水平上调控M-N-C材料的电子结构对其在催化CO_(2)RR活性和选择性的影响上具有重要意义。此外,CO_(2)的大多数产物的半反应的还原电位在析氢反应的±0.2 V范围内,而且大多数与CO_(2)结合的催化剂都富含电子,对析氢反应有活性。因此在设计催化剂时还需要考虑抑制竞争性析氢反应的进行。本文我们总结了M-N-C材料合成方法、CO_(2)还原成C1、C2和C^(2+)的反应路径以及影响CO_(2)RR的主要因素。主要系统地总结了三种调控M-N-C材料电子结构和几何构型的策略,即修饰MN-C材料的碳基面、选择合适的中心金属离子和调节中心金属离子的配位环境,并详细的讨论了在不同活性位点上对催化CO_(2)RR中各种产物选择性的影响。最后,我们提出了目前M-N-C材料在电催化CO_(2)RR中的应用所面临的挑战和未来的发展方向。