文献信息
Effect of Cobalt Speciation and the Graphitization of the CarbonMatrix on the CO 2 Electroreduction Activity of Co/N-Doped Carbon Materials
ACS Applied Materials & Interfaces
2021
摘要
电化学CO2还原反应的重要性，这是一种将工业过程中排放的CO2或环境存在的CO2转化为有价值化学品的方法。研究者们指出，非贵金属催化剂（NNMCs），特别是碳基材料掺杂金属（M）和氮物种的材料，因其在氧气还原反应（ORR）中的活性位点被认为是由嵌入高度多孔碳支持体中的过渡金属离子（M）和氮原子（Nx）构成的，而受到关注。
研究中，作者们合成了三种不同热处理温度的钴-氮共掺杂碳材料，并研究了它们的表面钴物种形态和CO2到CO的电还原活性之间的关系。实验结果表明，原子分散的钴-氮位点是负责生成CO的活性中心，并且当这些原子钴-氮中心被包裹在覆盖在催化剂中的钴纳米颗粒上的碳层中时，CO选择性得到改善。
实验方法
研究中，作者们合成了三种不同热处理温度的钴-氮共掺杂碳材料，并研究了它们的表面钴物种形态和CO2到CO的电还原活性之间的关系。实验结果表明，原子分散的钴-氮位点是负责生成CO的活性中心，并且当这些原子钴-氮中心被包裹在覆盖在催化剂中的钴纳米颗粒上的碳层中时，CO选择性得到改善
作者们详细描述了催化剂的合成过程，包括使用聚丙烯腈（PAN）、碳酸钠（Na2CO3）和钴(II)-菲咯啉复合物作为前驱体，通过热处理步骤来制备催化剂。合成后的催化剂经过酸洗、真空过滤、洗涤和干燥等步骤处理。此外，作者们还使用了多种表征技术，包括感应耦合等离子体质谱（ICP-MS）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、扫描透射显微镜（STEM）、能量色散X射线（EDX）光谱、拉曼光谱、氮气吸附-解吸等温线、粉末X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收光谱（XAS）等，来研究催化剂的物理化学性质。
电化学性能测试表明，含有钴的样品在CO2RR中表现出活性，并且CO的选择性随着热处理温度的升高而增加。通过密度泛函理论（DFT）计算，作者们进一步分析了不同催化剂模型结构对CO2RR活性的影响。计算结果表明，只有原子分散的钴-氮位点在石墨烯基质中能够作为CO2RR的活性中心。
不仅金属活性中心的结构，而且其碳载体的电子/物理性质也决定了NNMCs的CO2RR活性。特别是，碳载体的石墨化程度和可能对其金属中心的电子性质的影响，是决定材料电催化性能的关键因素。
这篇研究对于理解和设计用于CO2电还原的高效非贵金属催化剂具有重要意义，为开发新型高效催化剂提供了新的策略和方法。
