面向高性能CO2还原的复合电催化剂

This projects aims at highly efficient CO2 conversion and utilization, and focuses on several important fundamental scientific questions of electrocatalytic CO2 reduction using metal and carbon catalysts, including material design, interface tuning, and multi-proton multi-electron cooperative catalytic conversion. We propose to control catalytic crystal growth, optimize the electrocatalytic sites, and tune the hydrophobicity of catalyst surface, which enable a new design concept of mesoporous multi-metallic nanomaterial hierarchical structures. First, focusing on the multi-proton multi-electron CO2 reduction, we propose to synthesize multi-metallic-center catalysts to improve catalytic activity and selectivity. Second, focusing on water splitting, i.e., the universal side reaction of CO2 reduction, we design an in situ high-temperature etching process based on the strong binding affinity of water molecules with catalytic sites, which allows to retain those sites with strong interactions with CO2 molecules, such as pyrrolic-structured nitrogen atoms. Third, by designing multilayered porous catalyst interface with tailorable hydrophobicity and air permeability, we propose to inhibit the water diffusion and adsorption on catalyst surface, while enhancing CO2 selective transport and catalysis. This work can not only suggest new catalyst design concepts, but also further study the mechanism and kinetics of CO2 electrocatalytic reduction, which can lead to prospective application for artificial photosynthesis.

本项目面向CO2的高效转化利用，围绕电催化还原CO2中的金属与碳材料的组分设计、界面调控、多电子多质子的催化转化过程中的几个重要科学问题，分别从串联催化剂设计、催化活性位点的筛选优化、以及催化剂界面的疏水亲气性这三个方面，提出制备具有介孔碳-多组分金属纳米颗粒复合材料的多级结构的新思路。首先，针对多电子多质子参与的CO2电还原，选用多金属中心组成串联催化剂，提高催化活性与选择性。其次，围绕抑制水分解这个在CO2电还原的重要副反应，利用水与活性催化位点的强作用，在高温下选择性刻蚀，以保留下对CO2具有强作用的活性位点，如吡咯型结构的掺杂氮原子，提高对CO2电催化的选择性。第三，提出通过设计具有疏水亲气的多层介孔催化剂界面，抑制水分子的扩散和吸附，提高对CO2选择性输运与催化。本项目不仅可以拓展催化剂设计理念，还可深入研究CO2催化还原过程中的机理与动力学，为发展人工光合作用技术提供科学依据。

本项目围绕二氧化碳（CO2）电催化剂的可控制备，以具有金属纳米复合结构的组分调控、结构调控、电荷调控等共性科学问题为目标，发展了多种基于金属、金属-碳纳米复合催化剂多级结构的制备与自组装方法，以实现高活性、高选择性的电催化CO2还原，拓展对电催化反应机理的认识，并为直接利用太阳能进行CO2转化与利用提供思路。通过本项目的研究，我们获得如下主要结果。（1）在合成复合金属与纳米碳材料的新结构方面，我们开发并实现了多种具有双金属纳米颗粒复合结构的串联催化剂的制备方法；开发并实现了多种具有高吡咯型氮原子含量的介孔碳的制备方法；以及开发并实现了具有多层、疏水结构的介孔碳-双金属纳米颗粒催化剂材料，实现对CO2和H2O的高性能选择性输运；（2）在电催化CO2还原的性能方面，实现了高效、高选择性的CO2电催化还原，其还原产物甲烷的分电流密度达到700 mA/cm2，甲酸的分电流密度达到1000 mA/cm2，选择性最高达99%。有机分子产物的转化效率达90%以上；（3）在利用太阳能进行CO2固定的器件方面，实现了多种可直接利用太阳光能进行CO2电催化的材料体系与器件：利用太阳能将将CO2转化为一氧化碳的总效率达16%；将CO2固定为多碳醇的效率达4%。通过本项目的研究，有望发展基于纳米材料的新型的CO2转化、环境治理和能源储存的技术，为我国发展“碳达峰、碳中和”规划提供技术储备。