CO2电还原研究获进展

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员陈亮团队在二氧化碳(CO2)还原领域取得新的进展。该团队提出一种新颖且有效的氨热处理策略来获得富含拓扑缺陷的三维多孔碳材料，为制备高效的二氧化碳还原反应电催化剂提供了新思路。

用清洁电能将二氧化碳转化为碳氢燃料，在解决由于间歇性问题造成的新能源弃电浪费的同时，还可以缓解温室气体二氧化碳造成的环境问题并获得高附加值的碳氢化合物。二氧化碳电还原技术的核心是在阴极进行的二氧化碳还原反应，即以水和二氧化碳为原料，在还原电位下转化并获得一氧化碳、甲烷、甲酸、甲醇、乙烯、乙醇、乙酸等产物。然而，二氧化碳拥有一个高度稳定的化学结构，不易发生化学反应，需要开发高性能的二氧化碳还原反应电催化剂来加速该反应的进行。在实际应用中，这种电催化剂需兼顾催化剂成本、产品选择性、生成速率和长期耐用性等多方面的要求。

相较于金属基电催化剂，碳材料拥有众多优异的特性，如储量丰富、多孔结构、结构稳定以及环境友好。然而，完整的碳芳香环化学活性比较惰性，难以用作催化材料。缺陷工程可以有针对性地将缺陷引入到碳材料中，打破芳香环中的电子对称性并调整碳原子的电荷密度和自旋密度，从而产生催化活性中心。拓扑缺陷具有局部非对称的电子结构，可以调节碳材料的本征催化活性。然而，由于较高的缺陷形成能量，在碳材料中引入高浓度的拓扑缺陷还是一个难点。

在较低处理温度下，氨气热处理通常用于对碳材料进行氮掺杂，来获得氮掺杂的碳材料。研究团队发现，提升氨热处理的温度，可以诱导氨气去除N掺杂三维多孔碳材料中的吡咯-N和吡啶-N掺杂原子，从而可以产生高浓度的拓扑缺陷。通过反应分子动力学模拟，并结合近边X射线吸收精细结构表征和投影态密度分析，研究人员发现碳结构中的N原子被诱导去除后会产生活化的低配位碳原子，然后通过局部的结构重排产生五元环、585等拓扑缺陷。富含拓扑缺陷的三维多孔碳材料表现出优异的二氧化碳还原反应电催化活性。该研究不仅为碳材料的缺陷工程提供了新的途径，而且加深了对碳缺陷进行二氧化碳还原反应电催化机制的深入认识。