ChemCatChem:Bi/Zn双原子催化剂电化学还原CO2为合成气

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通过气相迁移/氨气介导策略成功将铋锌金属-有机框架材料转化成了铋锌双原子催化剂(BiZn/NC),并实现了对电化学CO2转化生成合成气中CO/H2比例的精细调控。研究发现通过调整铋盐与锌盐的投料比可以改变催化剂中吡啶氮-金属键的含量,进而影响电催化过程中二氧化碳还原和析氢反应的相对选择性,最终影响合成气中CO/H2比例。


由一氧化碳(CO)和氢气(H2)组成的合成气是工业生产多种化学品的重要前体,但不同的产物要求有不同的CO/H2比例。例如,用于合成甲烷、甲醇和加氢甲酰化过程的CO/H2比分别为 0.33、0.5 和 1.0;而高效的费托合成要求CO/H2比例介于0.25至3.00之间。因此,能直接电催化二氧化碳还原反应生成可调控比例合成气的催化材料研究受到了广泛的关注。目前,在用于合成气制备的CO2还原电催化剂中,金/银基材料受限于其高昂的成本;钯/碳催化剂又容易受到CO毒化而不能维持良好的催化稳定性。针对电催化二氧化碳还原生成合成气的反应,探究一种兼具低成本、高催化活性和不俗稳定性的催化剂具有重要意义。


最近,北京理工大学张加涛、戎宏盼课题组及清华大学博士后张二欢报道了铋锌双原子电催化剂BiZn/NC,能够在电催化二氧化碳还原中高效地制备合成气。该方法以BiZn金属-有机框架为前驱体,以双氰胺作为氮源,通过气相迁移/氨气介导策略构建了具有Bi-N4和Zn-N4配位结构的BiZn双原子催化剂。在电催化二氧化碳还原反应中,可以实现在0.20至2.92范围内对CO/H2比例的调控,几乎覆盖了费托反应所要求的全部CO/H2比例范围。另外,研究发现通过调节合成前驱体过程中加入的Bi/Zn盐比例,合成的BiZn/NC中吡啶氮-金属键的含量会随Bi/Zn比例而改变,进而影响电化学生产合成气过程中二氧化碳还原和析氢这一对竞争反应的相对选择性,进而达到调控反应产物中CO/H2比例的目的。该工作为低成本、高效地电催化二氧化碳还原生成合成气提供了一种新思路。

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文信息

Bi/Zn Dual Single-Atom Catalysts for Electroreduction of CO2 to Syngas

Lingzhe Meng, Erhuan Zhang,* Haoyu Peng, Yu Wang, Dingsheng Wang, Hongpan Rong,* and Jiatao Zhang*

文章第一作者为硕士生孟令哲


ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202101801


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