利用可再生能源在溫和可控的條件下電催化還原轉(zhuǎn)化二氧化碳為有用燃料和化學(xué)品是能源化學(xué)的重要前沿，具有廣闊的應(yīng)用前景。其核心挑戰(zhàn)是開發(fā)高性能二氧化碳還原反應(yīng)（CO2RR）的電催化劑，提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率和實(shí)現(xiàn)高選擇性。

    最近，在國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的支持下，胡勁松課題組在氮摻雜碳類CO2RR催化機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展，發(fā)展了顯著提高其性能的新策略。氮摻雜碳基納米材料作為廉價(jià)非金屬CO2RR催化劑備受關(guān)注，但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以精確控制，導(dǎo)致對(duì)其催化活性位點(diǎn)的認(rèn)識(shí)仍存在較大爭(zhēng)議，催化性能也亟待大幅提升。利用結(jié)構(gòu)明確的小分子作為模型催化劑是明晰其催化機(jī)制的有效手段，但小分子自身的催化活性低，實(shí)驗(yàn)誤差大，難以給出可信結(jié)果。研究人員發(fā)現(xiàn)將含氮小分子模型催化劑（酞菁(Pc)和四苯基卟啉(TPP)，圖a）與超小鈷納米晶（圖b,c）結(jié)合，可以顯著提升其催化CO2RR的選擇性（法拉第效率，圖d）和活性（電流密度，圖e）（-0.9 V下分別提升18和47倍）。這種放大效應(yīng)使利用模型小分子揭示氮摻雜碳類材料的催化機(jī)制成為可能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算表明CO2RR優(yōu)先發(fā)生在吡啶氮而不是吡咯氮上（圖f-h）；而且金屬態(tài)鈷可以顯著降低吡啶氮上CO2RR決速步驟的能壘，從而提升其催化性能（圖i）。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)含吡啶氮的酞菁分子催化CO2RR的活性和選擇性都比只含吡咯氮的卟啉分子在相同氮含量下高出數(shù)倍（圖j）。這些結(jié)果揭示了氮摻雜碳類催化劑中吡啶型氮碳位點(diǎn)電催化還原CO2性能明顯高于吡咯氮摻雜碳位點(diǎn)，并且通過調(diào)控吡啶型氮碳位點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)可以顯著提升其催化活性與選擇性。該研究工作為合理設(shè)計(jì)高效、低成本CO2RR碳基電催化劑提供了有益的參考，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于德國(guó)應(yīng)用化學(xué)（Angew. Chem. Int. Ed.2020, Doi: 10.1002/anie.201916520），并被選為VIP論文。論文第一作者是博士生何超。

    來源：中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所新聞