​中科大陈乾旺AFM：s区主族元素锂基催化剂亦有高活性，实现高效催化CO2RR和ORR

电化学能量转换和储存技术，包括利用水电解产氢、质子交换膜燃料电池(PEMFCs)，以及二氧化碳电化学还原(CO₂RR)成有价值的工业产品等，因其具有环境友好性和可持续性而受到广泛关注。在这些技术和工艺中，常用催化剂多为贵金属催化剂，但贵金属的稀缺性和高昂的价格限制了它们的大规模应用。

因此，开发高效、廉价、无贵金属的电化学催化剂对于推动这些技术的进一步发展至关重要。

基于此，中国科学技术大学陈乾旺课题组系统地研究了一种用于电化学还原反应(包括ORR和CO₂RR)的N−和O−配位的Li基碳骨架电催化剂。

元素周期表中的s区金属，特别是价电子较少的ⅠA族金属，由于其电子结构调控的困难，很少被报道为用于还原反应的高活性电催化剂。理论计算表明，ⅠA族元素锂(Li)在N，O掺杂的石墨烯中是二氧化碳还原反应(CO₂RR)和氧还原反应(ORR)的有效电催化活性中心，其活性来自于原本空的Li原子2p轨道和配位原子轨道之间的s−p杂化轨道，并且这个空的2p轨道可以作为Li和N，O掺杂的石墨烯之间额外p−π共轭的位点。

这些效应可以改变石墨烯结构中具有适当N和O配位的Li的电子结构，使其适用于ORR(之字型Li-pyridinic-N₁-C₁)和CO₂RR(之字型Li-O₂)。

因此，Li−N，O/C催化剂在酸性条件下ORR(E_1/2=0.77 V)和CO₂RR(FE_CO在−0.55 V时达到98.8%，J_CO在−0.8 V时达到6.93 mA cm⁻²)表现出显著的性能。此外，该催化剂还可作为实用质子交换膜燃料电池(PEMFC)阴极反应的潜在电催化剂，利用Li−N，O/C催化剂组装的PEMFC峰值功率密度可达430 mW cm⁻²。

总之，该项工作采用密度泛函理论(DFT)计算与实验相结合的方法，设计了一种新型高活性的基于s区元素的锂基电催化剂，为未来设计其他s区元素，如Na和K等用于高效电还原反应的催化剂提供了范例。

Main-Group s-Block Element Lithium Atoms within Carbon Frameworks as High-Active Sites for Electrocatalytic Reduction Reactions. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202300475