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中化新網(wǎng)訊 3月11日，從中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所傳出消息，該院研究員劉立成科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種普適性的氨基化改性方法，原創(chuàng)性地提出對(duì)過(guò)渡金屬單原子催化劑的碳載體實(shí)施胺化改性來(lái)調(diào)控催化劑的電子結(jié)構(gòu)，可提升Ni、Fe、Zn等單原子催化劑電催化二氧化碳(CO?)生成一氧化碳(CO)的催化反應(yīng)電流密度。
在碳達(dá)峰和碳中和的大背景下，利用風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等可再生能源驅(qū)動(dòng)電催化CO?生成具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的CO、乙醇等燃料化學(xué)品具有重要的研究?jī)r(jià)值。據(jù)劉立成介紹，他們?cè)诎坊男詥卧哟呋瘎┗A(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化裝配了氣體擴(kuò)散電極的流動(dòng)反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用級(jí)反應(yīng)電流密度，達(dá)到了工業(yè)CO?還原的要求。
“將CO?還原為重要的工業(yè)原料CO是相對(duì)較成熟的技術(shù)，目前提高產(chǎn)物選擇性、降低催化電位、增大催化反應(yīng)電流密度等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題上已取得系列進(jìn)展。但在實(shí)際應(yīng)用中CO?電催化還原反應(yīng)的電流密度仍然較小，無(wú)法滿足工業(yè)化應(yīng)用要求，仍需要解決大電流密度工作條件下的產(chǎn)物選擇性、穩(wěn)定性以及系統(tǒng)成本過(guò)高的問(wèn)題。”劉立成表示。
此前有研究表明，以氮摻雜碳為載體的過(guò)渡金屬單原子催化劑(M-N/C)因其較高的原子利用效率和簡(jiǎn)單的制備方法在電催化還原CO?過(guò)程中表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。當(dāng)前對(duì)M-N/C催化劑研究主要集中在調(diào)節(jié)配位環(huán)境和增加單原子活性位點(diǎn)方面。盡管在電催化還原CO?過(guò)程中CO選擇性達(dá)到90%。然而催化劑對(duì)反應(yīng)中間體的吸附能力有限導(dǎo)致反應(yīng)電流密度較差，無(wú)法滿足工業(yè)CO?還原應(yīng)用的要求。
“針對(duì)以上問(wèn)題，基于前期在CO?吸附領(lǐng)域的研究積累，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)在不破壞單原子結(jié)構(gòu)的情況下用氨基改性M-N/C催化劑中的碳載體，可以有效地提高CO?電催化還原性能。”劉立成介紹說(shuō)。
胺化的鎳單原子催化劑在0.89V的過(guò)電位下可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)400mA/cm²的活性電流密度，并且可以保持接近90%的電流效率。此外，深入的機(jī)理研究揭示出胺化改性增強(qiáng)催化劑對(duì)CO?分子和中間體COOH*的吸附能力，以及活性中心金屬單原子與碳載體氨基之間的電荷轉(zhuǎn)移是本征催化活性增強(qiáng)的主要原因。
“胺化單原子催化劑的催化性能達(dá)到了工業(yè)CO?還原的要求，具有產(chǎn)業(yè)化的前景。”劉立成表示，“目前來(lái)看，工業(yè)化CO?還原應(yīng)用還需要基于胺化單原子催化劑，進(jìn)一步研發(fā)高效的電解池反應(yīng)器，解決能量利用效率、設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性等問(wèn)題，這也是我們目前正在攻關(guān)的方向。”
