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Carbon Energy：COF衍生雙原子催化劑協(xié)同抑制HER以增強(qiáng)CO2RR反應(yīng)

時(shí)間：2023-02-07 來源： 瀏覽：

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用于生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的電化學(xué)CO 2 還原反應(yīng)(CO 2 RR)是解決CO 2 過量排放的有效策略。然而，由于競爭反應(yīng)(析氫反應(yīng)HER)的存在，CO 2 RR催化劑的活性和選擇性仍不理想。
近日， 中科院上海高研院曾高峰 、 徐慶 和 寧波諾丁漢大學(xué)何俊 等首次利用COF和金屬-有機(jī)骨架(MOF)的核-殼雜化構(gòu)建了具有雙活性中心(ZnN 4 和CoN 4 O)的CO 2 RR催化劑(COF@MOF 800 -Co)。
結(jié)果表明，外層COF阻止了MOF核的聚集，減少了熱解過程中鋅離子和氮、氧原子的損失，促進(jìn)了高鋅活性中心和雜原子的形成，防止了熱處理后COF的坍塌。
通過配位作用固定酞菁鈷(CoPc)分子，得到的中空催化劑碳壁上含有豐富的N和O原子(N占10.73%，O占8.31%)，并且鈷和鋅的含量分別為2.47wt.%和11.05wt.%。
性能測試結(jié)果顯示，在-0.8 V時(shí)，催化劑對CO 2 轉(zhuǎn)化為CO的催化效率最高，CO法拉第效率為92.6%；在-1.0 V時(shí)，催化劑的周轉(zhuǎn)頻率為1370.24 h ?1 ，并且該催化劑的活性和選擇性在連續(xù)運(yùn)行30小時(shí)后仍保持不變。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，COF@MOF 800 -Co上Co位點(diǎn)的決速步(COOH*的產(chǎn)生)的能壘遠(yuǎn)低于COF@MOF 800 -Co(0.58 eV)和COF@MOF 800 (1.32 eV)的Zn位點(diǎn)。
此外，考慮到HER是CO 2 RR的競爭反應(yīng)，計(jì)算了三個(gè)不同位點(diǎn)的HER相應(yīng)的?G。Co位點(diǎn)的RDS是從H*轉(zhuǎn)化為H 2 ，而COF@MOF800-Co和COF@MOF 800 中Zn位點(diǎn)的RDS是催化位點(diǎn)上H*的形成，ZnN 4 -O的RDS分別為0.36 eV和0.70 eV，表明Co位點(diǎn)的HER比Zn位點(diǎn)具有更高的活性。
為了清楚地識別催化過程，還計(jì)算了CO 2 RR與HER(UL(CO 2 )-UL(H 2 ))的極限電位差。UL(CO 2 )-UL(H 2 )為?0.11 eV，表明CO 2 RR成功地抑制了HER；與Co位點(diǎn)不同，對Zn位點(diǎn)的主要反應(yīng)是HER，COF@MOF800-Co和COF@MOF 800 中Zn位點(diǎn)的UL(CO 2 )-UL(H 2 )分別為0.21和0.62 eV。UL(CO 2 )-UL(H 2 )值的降低表明，在COF@MOF800-Co中的Co和Zn協(xié)同作用抑制了競爭性析氫反應(yīng)。
Dual Atomic Catalysts from COF-derived Carbon for CO 2 RR by Suppressing HER through Synergistic Effects. Carbon Energy, 2023. DOI: 10.1002/cey2.300
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