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福建物构所二维导电MOF电催化CO2取得新进展

更新日期：2021-06-08

导电酞菁基MOF电催化CO2为CO及与其它MOFs催化剂活性对比图　　　　

近年来，利用可再生能源产生的电能，将CO₂电还原为各种高附加值化学品，是一条大有前景的实现碳平衡的路径，因而得到研究者的广泛关注。目前大多数催化剂是将前驱体经过高温裂解后，将得到的碳基材料应用于电催化中，但其存在活性成分复杂、分布不均匀、机理难研究的问题。金属-有机框架（MOFs）材料作为一类新型的晶态多孔材料，具有结构精确、二氧化碳吸附富集能力强的优点，是一类理想的CO₂电还原材料。但是，由于大多数MOFs较差的导电性和结构稳定性，使得MOFs电催化CO₂的效率仍然较低。

　　近日，中科院福建物构所结构化学国家重点实验室曹荣和黄远标团队，在科技部重点研发计划、国家自然科学基金项目、中科院战略性先导科技专项、中科院青促会优秀会员项目资助下，选用具有大环共轭结构的八羟基酞菁镍分子作为配体，通过溶剂热方法合成得到二维导电MOF。将其经过超声剥离后，得到超薄二维纳米片，厚度为1.65 nm左右。材料具有优良的本征导电性（4.8′ 10^-5 S m^-1）。将该MOF直接应用于CO₂电还原测试体系中，CO选择性最高可达98.4%，CO部分电流密度最高可达34.5 mA cm^-2，超过了目前报道的MOFs催化剂并可以媲美碳基单原子催化剂。同时其在较宽的电位区间内（-0.65 V ~ -1.1 V vs. RHE），催化剂均能实现90%以上的CO选择性。通过对比反应前后催化剂的基础物化表征，以及进行同步辐射X射线吸收谱拟合及小波变换，分析电催化过程中节点的配位模型变化过程，证明经过电催化过程后，MOFs结构仍然得到很好的保持，材料具有优秀的结构稳定性。

　　该工作表明晶态材料也可以实现高效的电催化活性和结构稳定性。同时，通过将具有高效催化活性的酞菁分子引入到多孔晶态材料中，在均相分子催化剂和异相多孔催化剂中间搭建了桥梁，为后续设计新型的晶态电催化材料，研究CO₂电还原反应机理提供了新的思路。这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上。文章第一作者为伊俊东博士后，理论计算由司端惠助理研究员完成。

　　近年来该团队致力于设计多孔导电框架材料（MOFs或COFs）及其衍生物应用于CO₂电还原研究，已取得了一系列进展（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 23641-23648; Sci. China Chem. 2021, DOI: 10.1007/s11426-021-1022-3；ACS Energy Lett. 2020, 5, 1005; ACS Materials Lett. 2021, 3, 454？461; Small 2020, 2004933; Small 2020, 2005254; CCS Chem. 2019, 1, 384; Appl. Cataly. B: Environment. 2020, 271, 118929）。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202104564

(曹荣课题组供稿）