雙功能單分子異質結電催化劑用于完全選擇性CO2轉化集成有機氧化納米聚合利用可再生電力，將二氧化碳（CO2）高效轉化為高附加值的化學品和燃料，對解決能源和環(huán)境危機具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，電催化CO2還原依然存在還原電勢高、電流密度小、產物選擇性低等問題，嚴重阻礙了其實際應用。開發(fā)結構明確、高效穩(wěn)定的電催化劑是解決這些問題的核心。目前，在眾多ECR催化劑中，具有高分散M-N4結構的異相分子基催化劑表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。設計并合成具有特殊結構的分子基催化劑，并將其以單分子水平牢固錨定在導電基底上有望獲得獨特的單分子異質結。單分子異質結內的強相互作用（如電荷轉移作用，共價成鍵作用等）可以進一步調控M-N4催化中心的電子結構，從而實現(xiàn)高效電化學催化。此外，一些有機基團（如氨基基團）被報道也可以有效促進分子基催化劑在電催化CO2還原中CO2分子的吸附和活化。因此，將多種促進效應集成到一種催化平臺中，不僅有望實現(xiàn)電催化CO2還原性能的全面升級，而且有望實現(xiàn)多種反應的整合并降低能源消耗。近日，來自中國科學院福建物質結構研究所的朱起龍研究員在國際知名期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表題為“Bifunctional single-molecular heterojunction enables completely selective CO2-to-CO conversion integrated with oxidative 3D nano-polymerization”的研究論文。該論文報道了一種獨特的單分子異質結電催化劑，實現(xiàn)了高活性的完全選擇性CO2還原，并通過將電催化CO2還原與有機氧化納米聚合進行耦合，構建了一種“一石二鳥”的獨特催化范例。圖1. 圖示雙功能單分子異質結電催化劑及其用于整合CO2還原和有機氧化納米聚合設計并合成了一種含12個疊氮基團的新型鎳酞菁（N3NiPc），由于其獨特的分子結構，通過強烈的π?π堆積作用、電荷轉移作用以及共價鍵合，可以有效地將N3NiPc以單分子形式錨定在碳納米管（CNT）上，實現(xiàn)了高穩(wěn)定的單分子異質結電催化劑的構建。測試結果表明，所制備的單分子異質結電催化劑（N3NiPc-CNT）表現(xiàn)出100%的CO選擇性（產物中CO/H2比超過1000）、大的電流密度、超高的轉化頻率（TOF）及優(yōu)異的穩(wěn)定性。特別是在超過200 mA cm-2的大電流密度下，N3NiPc-CNT依然可以實現(xiàn)100%的FECO，CO/H2比可達700。研究發(fā)現(xiàn)，N3NiPc-CNT中豐富的疊氮基團除了用于共價錨定，多余的疊氮基團還可以被原位電化學還原為豐富的氨基官能團，從而在M-N4活性中心有效地構筑了表面局部微環(huán)境，提高了CO2的局部濃度并促進活化。在一個電解系統(tǒng)中，N3NiPc-CNT單分子異質結作為雙功能電催化劑用于整合陰極的CO2還原和陽極的有機氧化納米聚合，同時實現(xiàn)了陰陽極雙高附加值產品的高效制備和能源消耗的有效降低。這項工作為開發(fā)高效實用的ECR電催化劑及其集成電化學合成技術提供了范例性的參考。Bifunctional single-molecular heterojunction enables completely selective CO2-to-CO conversion integrated with oxidative 3D nano-polymerizationhttps://doi.org/10.1039/D0EE03731A中科院福建物質結構研究所研究員，博士生導師，課題組長。曾先后獲得日本學術振興會（JSPS）基金（2013）、國家級青年人才計劃（2017）、福建省高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才項目（2018）、福建省首批青年人才托舉工程（2018）等。主要從事原子級納米多孔催化劑的能源應用研究。迄今，在SCI期刊上發(fā)表原創(chuàng)性論文110余篇，其中以第一/通訊作者身份在Nat. Rev. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等國際知名期刊上發(fā)表論文近80篇，10多篇文章入選ESI高被引（top 1%）和ESI熱點（top 0.1%）論文，總引用7000多次，H因子36。多篇論文被選為期刊封面或熱點論文，部分工作被MaterialsViews，ChemistryViews，Science Daily，Science Newsline，Nanotechnology Now，R&D等眾多科學媒體作為研究亮點和重要進展來報道。目前主持承擔福建省引進高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才項目、國家自然科學基金項目等課題。
