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用清潔電能將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳?xì)淙剂?，在解決由于間歇性問題造成的新能源棄電浪費(fèi)的同時(shí)，還可以緩解溫室氣體二氧化碳造成的環(huán)境問題并獲得高附加值的碳?xì)浠衔?。二氧化碳電還原技術(shù)的核心是在陰極進(jìn)行的二氧化碳還原反應(yīng)，即以水和二氧化碳為原料，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、乙酸等產(chǎn)物。然而，二氧化碳擁有一個(gè)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)高性能的二氧化碳還原反應(yīng)電催化劑來加速該反應(yīng)的進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，這種電催化劑需兼顧催化劑成本、產(chǎn)品選擇性、生成速率和長期耐用性等多方面的要求。
相較于金屬基電催化劑，碳材料擁有眾多優(yōu)異的特性，如儲量豐富、多孔結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及環(huán)境友好。然而，完整的碳芳香環(huán)化學(xué)活性比較惰性，難以用作催化材料。缺陷工程可以有針對性地將缺陷引入到碳材料中，打破芳香環(huán)中的電子對稱性并調(diào)整碳原子的電荷密度和自旋密度，從而產(chǎn)生催化活性中心。拓?fù)淙毕菥哂芯植糠菍ΨQ的電子結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)碳材料的本征催化活性。然而，由于較高的缺陷形成能量，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，氨氣熱處理通常用于對碳材料進(jìn)行氮摻雜，來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)淙毕荨Ｍㄟ^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，然后通過局部的結(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)異的二氧化碳還原反應(yīng)電催化活性。該研究不僅為碳材料的缺陷工程提供了新的途徑，而且加深了對碳缺陷進(jìn)行二氧化碳還原反應(yīng)電催化機(jī)制的深入認(rèn)識。
