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Angew. Chem. :熱擴散與碳限域耦合助力二氧化碳的電催化還原2024-07-16
在溫和條件下,利用電催化還原將二氧化碳轉化為高附加值的化學產品和燃料,為解決化石能源危機與環境污染問題提供了富有前景的策略。然而,穩定的二氧化碳分子導致其電催化還原面臨諸多挑戰。因此,高選擇性和高活性電催化劑的設計是解決限制二氧化碳還原性能的關鍵。

碳載體不僅可以分散電催化活性位點,還可以提供有效的電子傳輸路徑,從而強化金屬與碳載體間的協同優勢促進二氧化碳的高效轉化。但是,高溫碳化合成過程中,通常金屬納米顆粒利用熱驅動的聚集與團聚來降低自身的表面能,不可避免地導致活性面積的損失和催化的失活。

近日,山東大學張進濤教授課題組,以碳包覆鉍核殼結構為研究對象,耦合低熔點鉍的熱擴散效應與碳限域作用提出了一種熱解驅動的活性位點調控與優化新策略,構筑了空心碳殼中鑲嵌鉍納米顆粒的電催化劑,實現了二氧化碳的高效電催化還原。

 

 

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針對熱處理過程中的熔融和團聚問題,碳殼包覆的限域作用可有效抑制鉍核的進一步團聚。在核殼結構的限域空間中,熱驅動的擴散過程使鉍核逐步分散到空心碳殼中形成納米顆粒。同時,鉍金屬的蝕刻作用創造形成多孔結構。因此,中空多孔碳殼既能提供有效的電子與離子傳輸通道,又發揮氮摻雜碳的錨定作用抑制鉍的聚集與失活,從而有效強化電催化過程實現二氧化碳的穩定電催化轉化。

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原位表征技術和理論計算結果表明,鉍鑲嵌的碳殼中空結構可有效強化碳載體與金屬間的相互作用降低二氧化碳的還原能壘。同時,中空多孔結構利用局部限域環境調節中間體的選擇性,實現二氧化碳的選擇性轉化。

該工作中,張進濤教授團隊提出了低熔點金屬的熱驅動擴散調控新策略,發揮碳殼的限域作用將鉍納米顆粒分散到空心多孔碳中,從而解決電催化過程中活性位點的聚集和失活問題,為設計高效穩定的電催化劑提供了新思路。

文信息

Thermal-Driven Dispersion of Bismuth Nanoparticles among Carbon Matrix for Efficient Carbon Dioxide Reduction

Weijian Guo,?Dr. Xueying Cao,?Dr. Dongxing Tan,?Dr. Bari Wulan,?Jizhen Ma,?Prof.?Dr. Jintao Zhang

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202401333

 

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