MOF衍生碳负载的金属催化剂用于CO2电化学还原

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自工业革命以来,大气中的二氧化碳(CO2)浓度急剧上升,造成了严重的温室效应,因此减少大气中的二氧化碳浓度成为全球环境和能源的研究热点。电催化CO2还原反应(CO2RR)是当前实现碳中和最具应用前景的技术之一,然而由于线性CO2分子的高化学惰性和竞争性的析氢反应(HER),在催化剂表面实现高活性和高选择性的CO2稳定转化仍极具挑战性。碳负载过渡金属催化剂因其独特的催化性能近年来备受关注。金属-有机框架化合物(MOF)衍生的碳材料具有大的比表面积和丰富的氮杂原子,能有效锚定金属原子。鉴于此,本文以MOF为金属源和碳源,通过调控金属组成和煅烧条件,制备了一系列高效的碳负载金属催化剂用于CO2RR。(1)引入2-甲基咪唑为竞争性配体,在常温下合成Ni-MOF前驱体,通过简单的一步煅烧法成功地构建了限制在氮掺杂碳中的具有窄尺寸分布的微小镍纳米粒子。由于保护性的氮掺杂石墨化碳壳和在13至21 nm的窄范围内均匀分布的微小镍纳米粒子,所获得的氮掺杂碳负载镍纳米颗粒催化剂(Ni NPs@N-C)在-1.0 V下,CO生成的法拉第效率(FE)高达96.8%,并且催化剂在24小时内仍具有优异的稳定性。(2)引入Cu离子和Sn离子为双金属源,在水热条件下合成Cn Sn双金属掺杂的UIO-66为前驱体,利用Zr离子和有机配体将Cu离子和Sn离子分隔避免在高温碳化过程中发生聚集,从而成功构筑了金属离子均匀分布的碳负载Cu Sn双金属纳米颗粒催化剂(Cu Sn@C),基于Cu和Sn双金属活性位点的协同作用,Cu Sn@C在-1.1 V下,CO生成的法拉第效率(FE)达到75%,电流密度为2.7 m A cm-2。
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