MOF衍生的氮掺杂碳包覆Ni催化剂，用于高选择性CO2电还原制备CO

1成果简介

电化学二氧化碳还原是实现碳循环和可持续生产高附加值化学品的有前景的方法之一。然而，在宽电位窗口内制备具有高选择性和优异稳定性的非贵金属碳基催化剂仍十分具有挑战性。本文，广州大学彭峰教授、杜胜君博士后等人在《Energy & Fuels》期刊发表名为“MOF derived N-doped carbon-wrapped Ni electrocatalyst for highly efficient electrochemical CO2 reduction to CO”的论文。研究开发了一类原位限域的策略，以Ni-MOF为前驱体制备出Ni颗粒良好分散在N掺杂碳基体中的高效催化剂，可以实现在宽电压范围内优异的CO法拉第效率。

该工作是基于溶剂热法将甲酰胺和Vxc-72生长聚合在Ni-MOF的表面，然后在800℃下进行高温碳化，从而将Ni纳米颗粒原位限域在碳骨架中。所制备出的Ni-MOF@NC催化剂在-1.0 V (vs. RHE) 的电位下能实现高达99%的CO法拉第效率，并且在 -0.8至-1.4 V (vs. RHE)的宽电压范围内，依然能维持>90%的CO法拉第效率。此外，得益于C-N层的保护，Ni-MOF@NC复合材料在强碱环境下可以保持高CO2催化活性和CO选择性。

2图文导读

图1. Ni-MOF@NC催化剂的制备示意图。

图2. Ni-MOF@NC催化剂的 (a) SEM和 (b-d) TEM图以及 (e) EDS Mapping图。

图3. Ni-MOF@NC，Ni-MOF@C和Ni-MOF-C的 (a) XRD图；(b) 拉曼光谱图；(c) 氮气的吸脱附曲线；(d) 孔径分布图；(e) CO2的吸附热曲线；(f) XPS 全谱图。

图4. Ni-MOF@NC，Ni-MOF@C和Ni-MOF-C (a) N1s和 (b) Ni 2p 的XPS能谱。

图5. Ni-MOF@NC，Ni-MOF@C和Ni-MOF-C的 (a) LSV 曲线；(b) CO法拉第效率图；(c) Ni基催化剂的性能对比；(d) 塔菲尔斜率图；(e) EIS图；(f) ECSA图。

图6. (a) 在-1.0 V（vs.RHE）电位下Ni-MOF@NC的稳定性；(b) 在3M KOH电解液中，Ni-MOF@NC和Ni-MOF-C的CO法拉第效率随时间的变化。

3小结

本文通过原位限域的策略制备出了一类 MOF 衍生的 N 掺杂碳包覆Ni催化剂Ni-MOF@NC，并将其应用于电还原CO2制CO。该材料在 -1.0 V (vs. RHE) 电压下对 CO 的法拉第效率为 99%，CO电流密度为 -26.3 mA/cm2。在 -0.8 V 至 -1.4 V (vs. RHE)的宽电位范围内，CO法拉第效率可保持在 90% 以上。与其不同的是，将Ni-MOF直接碳化得到的Ni-MOF-C材料的CO法拉第效率最高达到87.2%，但最佳电位窄，通过葡萄糖水热聚合制备出的碳包覆Ni催化剂Ni-MOF@C的CO法拉第效率最高仅为16.7%，证实Ni-MOF@NC 的催化活性主要归功于包裹 Ni 颗粒的掺 N 碳层。沉积的 C-N 层提高了CO 的转化率并且增强了催化剂的稳定性。本研究为构建具有高催化活性和 CO 选择性的N-掺杂碳包裹Ni催化剂提供了一种有效设计方法。

文献：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.energyfuels.4c01580

来源;材料分析与应