臧双全/江海龙/焦龙Angew.：微波辅助合成MOF基单原子Ni电催化还原CO2

研究内容

碳基单原子催化剂(SACs)在多相催化方面引起了人们的极大兴趣。然而，生产碳基SACs的常见电加热技术通常存在加热时间长和操作繁琐的问题。

郑州大学臧双全、中国科学技术大学江海龙和焦龙 开发了一种通用且简单的微波辅助快速热解方法，在3分钟内可提供碳基SACs，而无需惰性气体保护。所获得的碳基SACs具有高孔隙率和与通过电加热技术获得的SACs相当的碳化程度。源自Ni掺杂金属有机骨架(Ni-ZIF-8)的单原子Ni注入N掺杂碳(Ni 1 -N-C)在CO 2 电还原中表现出显著的CO法拉第效率(96%)，具有高达1.06 A/cm 2 的显著CO分电流密度(j CO )，远优于通过电加热的传统热解获得的对应物。相关工作以“ Microwave-Assisted Rapid Synthesis of MOF-Based Single-Atom Ni Catalyst for CO2 Electroreduction at Ampere-Level Current ”为题发表在国际著名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上。

研究要点

要点1. 作者以ZnCl 2 /KCl混合物为微波吸收剂，开发了一种简单通用的微波辅助快速热解方法。主要通过采用Ni掺杂的沸石咪唑骨架-8(Ni-ZIF-8)作为前驱体，在没有惰性气体保护的情况下，在3分钟内获得单原子Ni注入的N掺杂碳(Ni 1 -N-C)。

要点2. 优化的Ni 1 -N-C催化剂表现出超高的CO分电流密度(j CO ；1.06 A/cm 2 )，在电化学CO 2 还原中具有高达96%的CO法拉第效率(FE CO )。这种性能远远优于传统炉内电加热制备的Ni 1 -N-C炉催化剂。

要点3. 机理研究表明，ZnCl 2 /KCl辅助快速合成Ni 1 -N-C有利于形成大量的缺陷位点和介孔结构，大大促进了CO 2 的吸附并加速了传质，从而提高了CO 2 电还原的性能。

这种微波诱导热解策略可以扩展到构建含有来自各种前体的不同金属物种的碳基SACs，突出了其在实际生产中普遍合成SAC的巨大潜力。

研究图文

图1. 微波辅助快速热解制备Ni 1 -N-C的示意图。

图2. a）Ni-ZIF-8和b）Ni 1 -N-C-50的SEM。Ni 1 -N-C-50的c）TEM和d）像差校正的HAADF-STEM。

图3. a）Ni 1 -N-C-15、Ni 1 -N-C-50和Ni 1 -N-C-100的Ni 2p XPS。b）Ni 1 -N-C-15、Ni 1 -N-C-50、Ni 1 -N-C-100、Ni箔和酞菁镍(NiPc)的Ni K-edge XANES和c）FT-EXAFS。d）Ni 1 -N-C-50的EXAFS拟合(插图：Ni原子的优化配位环境)。

图4. Ni-N-C-ZnCl 2 和Ni 1 -N-C-X(X=15、50和100)在H电解池中的a）LSV和b）FE CO 。c）Ni 1 -N-C-X(X=15、50和100)的Tafel图。d）Ni 1 -N-C-50在CO 2 饱和的0.5 M KHCO 3 中，在-0.7 V vs RHE下的耐久性试验。

图5. a）CO 2 在Ni 1 -N-C-50上吸附引起的O 1s NAP XPS光谱强度变化。b）Ni 1 -N-C-50在CO 2 还原过程中的原位ATR-FTIR光谱。

图6. a）具有用于CO2电还原的气体扩散电极的流动池的示意图。在不同电流密度下，通过计时电位测量测试b）Ni1-N-C-50和C）Ni1-N-C炉的FECO和jCO的值。d）Ni1-N-C-50和Ni1-N-C炉在热解过程中的jCO、时间和能耗的比较。

文献详情

Microwave-Assisted Rapid Synthesis of MOF-Based Single-Atom Ni Catalyst for CO 2 Electroreduction at Ampere-Level Current

Ming Wen, Nana Sun, Long Jiao,* Shuang-Quan Zang,* Hai-Long Jiang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202318338