李亚栋院士/王定胜又发Angew，单原子最新进展！

上周，王定胜团队分别在J. Am. Chem. Soc.（IF=15.419）和Nano Letter（IF=11.189）发表了最新成果。

一周两篇顶刊！王定胜团队单原子催化再获新成果！

然而，可能很多人还没有读完这两篇文章，他们的新工作又发表了。

11月12日，李亚栋院士/王定胜在Angew上发表了单原子催化剂的最新成果：

电化学还原二氧化碳（CO₂RR）引起了广泛关注，它不仅推动了可持续性，还会促进全球能源市场转型变化。可再生能源部署的增多也增加了对长期季节性能源储存的需求，而甲烷（CH₄）（15000 Wh kg^-1）可以从CO₂RR中提取，CO₂RR可以季节性储存能源，然而，探索一种便宜、可获得的和高效的电催化剂仍然是一个重大挑战。

由金属中心和有机配体组成的分子催化剂一直是催化领域的研究热点之一。特别是，它们的性质可以通过设计分子配体来调整。N-杂环碳化合物(NHCs)在六电子价层中具有至少一个氮(N)原子和一个二价碳(C)原子的环结构。作为有机配体，NHC-金属键的形成及其高度模块化的分子结构、独特的电子和空间性质使其成为金属中心的理想修饰剂。

事实上，NHCs已经被报道为有效的添加剂来进行金属材料的表面功能化，以提高其在CO₂RR中的催化性能。然而，目前的研究主要集中在NHCs对金属团簇和粒子的改性。由于均相NHC-金属的溶解性、产物分离性和长期稳定性，限制了其在电催化领域的应用。

因此，NHC配位的金属单原子位点(SAS)催化剂在电催化中的应用较少受到关注。值得注意的是，将均相电催化和多相电催化连接起来是一种很有前途的策略，可以解决这些问题，如有效封装，可以显著提高催化位点的可达性和利用率。

为此，清华大学李亚栋院士、王定胜副教授等人在Angew报道了n-杂环碳(NHC)连接的铜单原子位点(Cu SAS)嵌入金属有机框架(2Bn-Cu@UiO-67)作为CO₂RR电催化剂，形成多个互联的纳米反应器。在-1.5 V vs RHE下，电流密度为420 mA cm^-2，CO₂还原为CH₄的法拉第效率(FE)为81%。

值得注意的是，催化剂的CH₄ FE在广泛的电压范围内（-1.6至-1.1 V vs RHE）保持在70%以上，并实现了前所未有的TOF，为16.3 s^-1，这几乎代表了迄今为止CH₄电合成的最佳分子催化剂。

原位红外实验结果表明，NHC的σ电子丰富了Cu SAS的表面电子密度，并促进了CHO*中间体的优先吸附。同时，催化剂的孔隙度有利于CO₂扩散到2Bn-Cu，从而显著增加了每个催化中心的可用性。

该催化剂设计策略代表了一种在环境条件下点催化还原CO₂的有前途的方法，并可能在其他系统中提供更广泛的适用性。

图文详情

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图1. 2Bn-Cu@UiO-67的合成、分子模型及其表征

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图2. 2Bn-Cu@UiO-67的结构表征

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图3. 使用流动池测试催化剂的CO₂还原性能

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图4. 原位红外测试来检测CO₂RR的中间体

文献信息

MOF Encapsulating N-Heterocyclic Carbene-Ligated Copper Single-Atom Site Catalyst towards Efficient Methane Electrosynthesis. Angew, 2021.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202114450?af=R

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