自支撑碳纳米纤维薄膜负载金属单原子的可控制备与CO2电还原性能研究

Development of proper catalysts with high-yield, maximized metal utilization, excellent catalytic activity and selectivity are one of the crucial issues in CO2 electroreduction. This project intends to the controllable preparation of self-supporting transition-metal single atom/hierarchically porous carbonfiber membranes via electrospinning method. These membranes have good electrical conductivity and mechanical strength, which can be directly used as working electrodes for CO2 electroreduction without any binders. The relationship between different transition-metal single atoms, and their catalytic activity, product distribution or selectivity would be studied. Different pore formers would be used to control the pore size distribution of the catalysts. The influence of catalyst microstructure on electron, ion or CO2 transport, and electrochemical active area will be explored. The catalytic efficiency of CO2 electroreduction at powdering and self-supporting single-atom catalysts will also be investigated to increase the effective single-atom content of the catalyst. The gas diffusion electrode device will be introduced to obtain very high partial current density along with good faraday efficiency and selectivity. The differences in Gibbs free energy of *COOH and *CO intermediates will be compared and the active sites will be optimized via DFT calculation, which can provide certain method instructions for the design and synthesis of high-efficiency catalysts for carbon dioxide electroreduction.

开发高产量、高金属利用率、高催化活性以及高选择性的催化剂，是CO2电还原最重要的研究课题之一。本项目拟采用静电纺丝的方法，制备自支撑的过渡金属单原子/多级孔碳纳米纤维薄膜。该薄膜具有良好的导电性与机械强度，可以直接作为工作电极用于CO2电还原，无需任何胶黏剂。研究不同金属单原子与其催化活性、产物种类以及选择性的关系；利用不同的造孔剂，控制催化剂的孔径分布，研究催化剂微观结构对电子传递、离子与CO2传输、电化学活性面积的影响；对比研究粉末化与自支撑结构单原子催化剂的CO2电还原活性，以提高催化剂中可参与反应的有效单原子的含量；引入气体扩散电极装置，同时获得较高的法拉第效率与选择性，以及产物部分电流密度。结合DFT计算，比较研究不同材料表面，*COOH与*CO中间体的吉布斯自由能的差异，优化催化剂的活性位点，为设计开发高性能CO2电还原催化剂提供一定的理论指导。

电化学还原CO2制备小分子化合物，不仅可以降低大气中CO2的浓度，还能解决新能源富余电力问题，具有环保与经济双重效益。然而，目前已报道的CO2电还原催化剂，绝大部分是粉末化结构，需要使用胶黏剂将其制作成可用的电极。在这一过程中，胶黏剂将大量的电子、离子与气体传输通道封堵，一方面降低催化剂的导电性，另一方面将催化活性位点包覆在催化剂内部，进而降低了催化活性。鉴于此，本研究通过聚合物大分子诱导、静电纺丝、界面限域等方法，合成一系列具有自支撑结构、高效稳定、可宏量制备的过渡金属复合材料，并对其在电催化CO2还原的应用中进行系统研究。该类材料具有贯穿的多级孔结构，可以增大电化学活性面积，暴露更多的活性位点，提高活性位点的利用效率。同时，多级孔的存在可增强CO2的吸附，在催化剂表面局部富集CO2，有利于CO2的活化与还原。