开发高效CO2还原电催化剂是电驱动CO2到高附加值C1、C2产物转化效率提高的重要方式之一。M-N4单原子催化剂由于具有孤立分散的活性位点和较高的原子利用效率，被看作是新型电催化剂中极具潜力的明星材料。
调节M-N4单原子催化剂微环境，如构筑疏水界面抑制竞争性析氢反应，可以有效提高电催化还原CO2性能。如何能够在温和条件通过共价化学键方式在M-N4位点引入疏水官能团从而改性催化剂仍面临着巨大挑战。
近日，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心段乐乐课题组以典型的Ni-N4单原子催化剂为研究对象，利用二氟卡宾（F2C:）与Ni-N4单原子催化剂碳材料表面双键的[2+1]环加成反应，对催化剂进行表面氟碳化，构建了具有−CF2−官能团的超疏水材料Ni-N4-CF2。
与Ni-N4相比，Ni-N4-CF2保留了母体材料的形貌结构和电子结构，额外具有接触角为156.3°的超疏水性质。Ni-N4-CF2在较宽的电势区间（−0.7 V ~ −1.3 V）都表现出了非常高的法拉第效率（＞98%）。
原位光谱电化学表征表明，Ni-N4-CF2催化剂表面的−CF2−官能团使Ni-N4位点周围形成的超疏水微环境可以有效减弱溶液中不对称氢键水分子向带电电极界面的迁移，从而抑制竞争HER反应，促进电催化CO2还原为CO。
最终，该超疏水电催化剂Ni-N4-CF2在电催化还原CO2中表现出优异的CO法拉第效率和良好的稳定性。该工作报道了一种可以有效修饰M-N4催化剂表面结构的[2+1]环加成反应，为开发具有可调节界面微环境以满足特定应用场合的碳载催化剂提供了一种新策略。
论文信息
[2+1] Cycloadditions Modulate the Hydrophobicity of Ni-N4 Single-Atom Catalysts for Efficient CO2 Electroreduction
Siyan Shu, Tao Song, Cheng Wang, Hao Dai, Lele Duan
文章的第一作者是南方科技大学的硕士研究生舒偲妍和博士生宋涛。
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202405650
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