新型CO2还原电催化剂制备成功

时间：2020-08-31 12:03:28来源：中国化工报

CO选择性99.5%以上接近工业应用要求

中化新网讯 8月26日，南方科技大学材料科学与工程系梁永晔教授在接受记者采访时表示，梁永晔科研团队开发了一种分子分散电催化剂体系，并采用分子工程调控的方法，构建了基于金属酞菁的高性能二氧化碳(CO2)还原电催化剂。

CO2电催化还原，因可以使用来自可再生能源的电能、在常温常压的反应条件下将CO2一步转化为高附加值碳基燃料及化学品，是一种非常有应用前途的技术。据梁永晔介绍，他们开发的基于金属酞菁的高性能CO2还原电催化剂，能够使得一氧化碳(CO)产物选择性在大电流密度下接近100%，接近工业CO2还原的要求。

“将CO2还原为重要的工业原料CO是相对较成熟的技术，目前反应选择性与能量转换效率比其他产物的转化效率高。但在实际应用中仍需要解决大电流密度工作条件下的产物选择性、稳定性以及系统成本过高的问题。”梁永晔表示。

此前有研究表明，酞菁钴(CoPc)等金属大环配合物分子在气体扩散电极下可将CO2催化转化为CO。然而，金属大环配合物分子本身的导电性差且易聚集，制约了其CO2电催化还原性能，对其结构与性能关系认识不足也制约了催化剂性能的进一步优化。

“针对以上问题，我们发现将金属酞菁分子均匀负载于碳纳米管载体上，形成分子分散电催化剂(MDE)，能够提高CO2还原催化性能。通过对比3种过渡金属(Fe、Co、Ni)酞菁的催化性能，我们发现酞菁镍体系(NiPc MDE)具有较高的CO选择性，但催化稳定性较差。”梁永晔介绍说，他们使用分子工程手段，通过在酞菁环上引入不同的取代基来调控其催化性能。

研究团队将甲氧基(OMe)引入，制备出NiPc-OMe MDE催化剂，不仅可提高催化稳定性，还进一步提高了CO选择性。该催化剂应用于气体扩散电极，在10~300mA/cm2的还原电流密度内，CO产物选择性达到99.5%以上，还能够稳定工作40小时。

“NiPc-OMe MDE的催化性能接近工业CO2还原的要求，具有产业化的前景。”梁永晔表示，目前来看，工业化CO2还原还受两方面因素制约。一方面，目前测试的电流密度以及工作时间受到器件工艺的限制，仍需进一步优化;另一方面，CO2电催化还原成CO的成本受电价等影响较传统化工方法要高。但从长远来看，碳排放问题已引起了各界人士的高度重视。化石燃料的过量使用导致大气中CO2浓度升高，带来了一系列环境问题。国际上也已经制定相关政策以降低碳的排放，从这个角度看，电催化CO2还原为碳基燃料和化工原料是解决以上问题的潜在途径。

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