吡咯氮配位单原子铜催化剂的电催化二氧化碳还原性能

doi:10.7503/cjcu20220272

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (7): 20220272.doi: 10.7503/cjcu20220272

吡咯氮配位单原子铜催化剂的电催化二氧化碳还原性能

赵润瑶¹^,², 纪桂鹏¹, 刘志敏¹^,²()

^1.中国科学院化学研究所, 北京分子科学国家研究中心, 中国科学院胶体、界面与化学热力学重点实验室, 中国科学院分子科学科教融合卓越创新中心，北京 100190
^2.中国科学院大学, 北京 100049

收稿日期:2022-04-24 出版日期:2022-07-10 发布日期:2022-05-29
通讯作者: 刘志敏 E-mail:liuzm@iccas.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22121002)

Efficient Electrocatalytic CO₂ Reduction over Pyrrole Nitrogen-coordinated Single-atom Copper Catalysts

ZHAO Runyao¹^,², JI Guipeng¹, LIU Zhimin¹^,²()

^1.Beijing National Laboratory for Molecular Sciences（BNLMS），CAS Key Laboratory of Colloid，Interface and Chemical Thermodynamics，CAS Research/Education Center for Excellence in Molecular Sciences，Institute of Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2022-04-24 Online:2022-07-10 Published:2022-05-29
Contact: LIU Zhimin E-mail:liuzm@iccas.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22121002)

摘要/Abstract

摘要：

采用温度控制的浸渍-热解法, 合成了以碳纳米管为载体的一系列铜单原子催化剂. 扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)分析表明, 催化剂中的单原子铜位点分别由吡啶氮和吡咯氮配位. 电催化性能测试表明, 所制备催化剂可用于电催化二氧化碳生成一氧化碳, 由吡啶氮配位的铜单原子催化剂的反应选择性较差, 而由吡咯氮配位的铜单原子催化剂则具有更强的活性, CO法拉第效率在-0.70 V(vs. RHE)时可达到96.3%; 吡咯氮配位的铜单原子中心对于析氢反应具有更好的抑制效果.

关键词: 单原子催化剂, 碳纳米管, 扩展X射线吸收精细结构, 电催化二氧化碳还原, 一氧化碳

Abstract:

A series of carbon nanotube supported copper single-atom catalysts（SACu/CNT-x） was synthesized by a temperature-controlled impregnation-pyrolysis method. Extended X-ray absorption fine structure（EXAFS） analysis indicates that the single-atom copper sites were coordinated with pyridinic-N and pyrrolic-N， respectively， in the catalysts. The catalysts were applied in electrocatalytic carbon dioxide reduction. It was indicated that the catalyst with pyrrole N-coordinated copper single-atom sites showed high activity for CO₂ electroreduction， affording a high CO Faradaic efficiency of 96.3% at -0.70 V（vs.RHE）. Electrochemical experiments show that the pyrrole N-coordinated copper single-atom center has a good inhibitory effect on the hydrogen evolution reaction.

Key words: Single-atom catalyst, Carbon nanotubes, EXAFS, Electrocatalytic carbon dioxide reduction, CO

中图分类号:

O643

TrendMD:

赵润瑶, 纪桂鹏, 刘志敏. 吡咯氮配位单原子铜催化剂的电催化二氧化碳还原性能. 高等学校化学学报, 2022, 43(7): 20220272.

ZHAO Runyao, JI Guipeng, LIU Zhimin. Efficient Electrocatalytic CO₂ Reduction over Pyrrole Nitrogen-coordinated Single-atom Copper Catalysts. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(7): 20220272.

图/表 4

Fig.1 SEM(A—D) and HRTEM(E—G) images of the precursor(A), SACu/CNT?700(B, E—G), SACu/CNT?800(C) and SACu/CNT?900(D) and EDS elemental mapping images of C(H), N(I) and Cu(J) for SACu/CNT?700

Table 1 Elemental content analysis of three catalysts

Sample	Cu content（%， mass fraction）	N content（%， mass fraction）
SACu/CNT?700	1.22	5.26
SACu/CNT?800	1.12	4.79
SACu/CNT?900	0.77	4.61

Fig.2 Structural characterizations（A）Cu K-edge XANES spectra；（B） Fourier transform k3-weighted R space χ EXAFS spectra of SACu/CNT-700， SACu/CNT-800 and SACu/CNT-900 with the comparison of standard CuPc and Cu foil；（C） N1s XPS spectra of SACu/CNT-700， SACu/CNT-800 and SACu/CNT-900；（D） correlation between the species of N doping and the pyrolysis temperature；（E） Cu2p XPS spectra of SACu/CNT-700， SACu/CNT-800 and SACu/CNT-900；（F） deconvoluted Cu2p3/2 XPS spectra of SACu/CNT-700 and SACu/CNT-900.

Fig.3 Electrocatalytic CO2 reduction performance（A） LSV curves of SACu/CNT-700， SACu/CNT-800 and SACu/CNT-900 in Ar or CO2 saturated 0.5 mol/L KHCO3（scan rate： 10 mV/s）；（B） FE of CO and H2 for SACu/CNT-700；（C） FE of CO for SACu/CNT-700， SACu/CNT-800 and SACu/CNT-900；（D） calculated Cdl by cyclic voltammetry measurements；（E） ECSA-corrected LSV curves of SACu/CNT-700 and SACu/CNT-900 with Ar；（F） time-dependent j and FECO of SACu/CNT-700 for CO2 RR at -0.70 V.

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