单原子材料在二氧化碳催化中的技术经济分析与产业化应用前景

doi:10.7503/cjcu20220347

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (9): 20220347.doi: 10.7503/cjcu20220347

单原子材料在二氧化碳催化中的技术经济分析与产业化应用前景

王新天², 李攀², 曹越¹, 洪文浩², 耿忠璇², 安志洋², 王昊宇², 王桦³, 孙斌¹(), 朱文磊²(), 周旸¹()

^1.南京邮电大学有机电子与信息显示国家重点实验室和先进材料研究院, 南京 210023
^2.污染控制与资源化研究国家重点实验室, 生命分析化学国家重点实验室, 关键地球物质循环前沿科学中心, 南京大学环境学院, 化学化工学院, 南京 210023
^3.湖州师范学院生命科学学院, 湖州 313000

收稿日期:2022-05-16 出版日期:2022-09-10 发布日期:2022-07-28
通讯作者: 孙斌,朱文磊,周旸 E-mail:iambsun@njupt.edu.cn;wenleizhu@nju.edu.cn;iamyangzhou@njupt.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22176086);江苏省自然科学基金(BK20210189);江苏省自然科学基金青年项目(SBK2022044384);南京邮电大学科研启动基金(NY221005);南京大学污染控制与资源化研究国家重点实验室基金(PCRR-ZZ-202106);中央高校基本科研业务费专项资金(021114380183);南京大学关键地球物质循环前沿科学中心研究经费和江苏省特聘教授研究经费(RK030STP21007)

Techno-economic Analysis and Industrial Application Prospects of Single-atom Materials in CO₂ Catalysis

WANG Xintian², LI Pan², CAO Yue¹, HONG Wenhao², GENG Zhongxuan², AN Zhiyang², WANG Haoyu², WANG Hua³, SUN Bin¹(), ZHU Wenlei²(), ZHOU Yang¹()

^1.State Key Laboratory for Organic Electronics and Information Displays & Institute of Advanced Materials（IAM），Nanjing University of Posts & Telecommunications，Nanjing 210023，China
^2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，State Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Science，the Frontiers Science Center for Critical Earth Material Cycling，School of the Environment，School of Chemistry and Chemical Engineering，Nanjing University，Nanjing 210023，China
^3.School of Life Sciences，Huzhou University，Huzhou 313000，China

Received:2022-05-16 Online:2022-09-10 Published:2022-07-28
Contact: SUN Bin,ZHU Wenlei,ZHOU Yang E-mail:iambsun@njupt.edu.cn;wenleizhu@nju.edu.cn;iamyangzhou@njupt.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22176086);the Natural Science Foundation of Jiangsu Province, China(BK20210189);the Natural Science Foundation of Jiangsu Province-Young Scholars Program, China(SBK2022044384);the Research Startup Fund of Nanjing University of Posts & Telecommunications, China(NY221005);the State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse of Nanjing University, China(PCRR-ZZ-202106);the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China(021114380183);the Research Funds from Frontiers Science Center for Critical Earth Material Cycling of Nanjing University and Research Funds for Jiangsu Distinguished Professor, China(RK030STP21007)

摘要/Abstract

摘要：

近年来, 随着科学研究的不断深入, 单原子催化剂由于具有高活性与高选择性等突出特点被广泛挖掘和应用. 作为连接多相与均相催化的桥梁, 单原子催化剂已经成为催化领域的重要研究对象之一, 具有广泛的工业化应用前景. 本文对单原子催化剂的发展历程、特点及其在不同领域的应用进行了概括, 综合评述了当前CO₂还原领域的技术经济分析, 并首次对单原子材料催化转化CO₂进行了技术经济分析与计算. 最后, 对单原子催化剂在CO₂还原领域中工业化应用的未来发展方向及亟需解决的关键科学和技术问题进行了展望, 以期推动单原子催化材料的进一步广泛应用.

关键词: 单原子, 催化, 二氧化碳还原, 技术经济分析, 工业化应用

Abstract:

In recent years， with the intensive scientific research， single-atom catalysts（SACs） have been widely explored and utilized due to their outstanding features such as high activity and high selectivity. As a bridge connec?ting heterogeneous and homogeneous catalysis， study of SACs has become one of the most important courses in the catalytic field and has broad industrial application prospects. This paper firstly gives a brief overview of the development history， characteristics and applications of SACs， and then summarizes the current techno-economic analysis in the field of CO₂ reduction and presents the first techno-economic calculations for single-atom materials. Finally， the future industrial applications of SACs in CO₂ reduction and the key scientific and technical issues to be solved are also discussed.

Key words: Single-atom, Catalysis, CO₂ Reduction, Techno-economic analysis, Industrial application

中图分类号:

O643

TrendMD:

王新天, 李攀, 曹越, 洪文浩, 耿忠璇, 安志洋, 王昊宇, 王桦, 孙斌, 朱文磊, 周旸. 单原子材料在二氧化碳催化中的技术经济分析与产业化应用前景. 高等学校化学学报, 2022, 43(9): 20220347.

WANG Xintian, LI Pan, CAO Yue, HONG Wenhao, GENG Zhongxuan, AN Zhiyang, WANG Haoyu, WANG Hua, SUN Bin, ZHU Wenlei, ZHOU Yang. Techno-economic Analysis and Industrial Application Prospects of Single-atom Materials in CO₂ Catalysis. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(9): 20220347.

图/表 7

Fig.1 Characteristics of single?atom catalysts

Fig.2 Synthesis and structure of Co?N5/HNPCSs catalyst[87]

Fig.4 Schematic illustration and electrochemical performance of Cu?CDs[8]（A）Scheme of the low-temperature calcining procedure for Cu-CD catalysts；（B）CV curves of bare carbon paper （CP）， Cu-CDs， Na2［Cu（EDTA）］， and CuPc recorded in N2- and CO2-saturated 0.5?mol/L KHCO3 electrolyte with scan speed of 10?mV/s；（C） dependence of Faradaic efficiency and current density （based on geometric surface area） of Cu-CDs on the applied potential；（D）partial CH4 current density plots and TOFs of Cu-CDs， CDs+Cu2+， and CuPc at different applied potentials；（E）stability test of Cu-CDs and CuPc at their highest Faradaic efficiency potentials. Copyright 2021， Springer Nature.

Table 1 Electrocatalytic performance of recently reported single-atom catalysts for CO2 reduction reaction

Catalyst	Current density/（mA·cm^-2）	Faradaic efficiency（%）	Stability/h	Product	Ref.
CoSA/HCNFs	211	92	50	CO	［148］
Ni?N₂	98	20	10	CO	［149］
Ni?N _x	100	100	20	CO	［150］
Fe?N₄	94.9	2	60	CO	［151］
Single?atom Sn ^δ⁺ on N?doped graphene	11.7	74.3	24	CH₃COO^-	［73］
Cu?CDs	40	78	6	CH₄	［8］
SA?Zn/MNC	31.8	85	35	CH₄	［66］
CoPc?NH₂/CNT	31.9	32	12	CH₃OH	［147］
Cu/C?0.4	—	91	16	CH₃CH₂OH	［68］
Cu?pyrrolic?N₄	ca. 0.4	36.7	5 cycle	CH₃COCH₃	［67］

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单原子材料在二氧化碳催化中的技术经济分析与产业化应用前景

Techno-economic Analysis and Industrial Application Prospects of Single-atom Materials in CO₂ Catalysis

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