【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近年來，二維(2D)材料因其獨(dú)特的物化性質(zhì)大量應(yīng)用在電催化領(lǐng)域。尤其是具有原子層厚的2D金屬烯材料(metallenes)，其良好的導(dǎo)電性、豐富的缺陷和配位不飽和位點(diǎn)、極高的原子利用率、特殊的量子尺寸效應(yīng)和應(yīng)力作用等，賦予這類材料獨(dú)特且優(yōu)異的電催化性能，可作為一類前景的新穎電催化材料，并已嶄露頭角。金屬鉍(Bi)納米材料可通過電催化過程將CO2以較高活性轉(zhuǎn)化為甲酸，從而引起了人們的關(guān)注。但目前報(bào)道的絕大多數(shù)Bi基電催化劑由于其顆粒度或厚度偏大導(dǎo)致活性位點(diǎn)暴露不足，嚴(yán)重限制了其電催化性能。因此，具有超薄二維結(jié)構(gòu)的鉍烯材料(Bi-ene，bismuthene)將是一類非常有潛力的高效CO2還原反應(yīng)(CO2RR)電催化劑，但目前研究面臨的難點(diǎn)之一在于如何設(shè)計(jì)并合成具有超薄結(jié)構(gòu)的寡層乃至單層Bi-ene 納米材料。
基于此，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員朱起龍與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所教授徐強(qiáng)合作，在國家自然科學(xué)基金等的資助下，以2D鉍基金屬-有機(jī)薄層材料(Bi-MOLs，Bi-based metal–organic layers)為前驅(qū)體，通過原位電化學(xué)轉(zhuǎn)化成功制備了具有類石墨烯結(jié)構(gòu)的超薄寡層Bi-ene納米片，其厚度僅為1.28-1.45 nm，對應(yīng)3-4個原子層。該Bi-ene獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不僅賦予其極高的電化學(xué)活性面積，還大幅提升了金屬原子的本征活性。將其直接作為電催化劑用于CO2RR，可表現(xiàn)出非常優(yōu)異的電催化性能：電流密度可超過70 mA cm-2，在-0.83到-1.18 V的寬電位范圍內(nèi)均能以~100%的法拉第效率將CO2轉(zhuǎn)化為甲酸，同時具有很高的催化穩(wěn)定性。進(jìn)一步使用自行設(shè)計(jì)的液流電解池，Bi-ene可提供超過300 mA cm-2的高電流密度，初步滿足工業(yè)應(yīng)用要求(200 mA cm-2)，具有很高的應(yīng)用前景。另外，通過原位紅外測試以及理論計(jì)算，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)了一個甲酸根生成的新機(jī)制：即電解液中的部分HCO3-基團(tuán)可直接參與反應(yīng)得到甲酸根產(chǎn)物，這與目前已經(jīng)報(bào)道的HCO3-基團(tuán)僅作為質(zhì)子源或者通過平衡CO2來加速反應(yīng)的機(jī)理有所不同。
綜上所述，該工作為高性能CO2RR電催化劑以及超薄二維金屬烯材料的制備提供了新的思路；同時也進(jìn)一步認(rèn)識了CO2RR過程，為提升CO2RR整體性能提供了實(shí)驗(yàn)與理論支持。相關(guān)工作已在線發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.202005577)上，該論文第一作者為朱起龍指導(dǎo)的在讀博士生曹昌盛。
此外，該課題組近期還系統(tǒng)總結(jié)了近年來MOFs用于光、電催化CO2還原反應(yīng)的研究進(jìn)展。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在EnergyChem 2020, 2, 100033。
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