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第一作者：衡金梦
通讯作者：廖培钦
通讯单位：中山大学
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202415101
摘要
本研究中，我们面临在中性条件下通过电化学CO2还原反应（eCO2RR）高效制备乙烯（C2H4）的挑战。针对催化剂在制备过程中常见的聚集问题，我们采用了主客体策略，利用金属-唑类框架（MAF-4）作为主体，双核Cu(I)复合物作为客体，通过热解前驱体制备了一系列氮掺杂多孔碳（NPCs），这些NPCs具有不同载量的双铜位点。实验结果表明，随着双铜位点载量的增加，eCO2RR产C2H4的部分电流密度也逐渐增加。特别是在0.1 m KHCO3电解液中，-1.4 V vs. RHE下，NPCMAF-4-Cu2-21展现出了卓越的性能，法拉第效率为52%，电流密度达到180 mA cm−2。这一性能的提升归因于超高载量的双铜位点，促进了C-C耦合和C2产物的形成。研究结果证明了MAF-4的纳米笼效应有助于制备高载量原子级分散催化剂。
研究成果
中山大学廖培钦在《Advanced Materials》上发表了题为“Fabrication of Ultrahigh-Loading Dual Copper Sites in Nitrogen-Doped Porous Carbons Boosting Electroreduction of CO2 to C2H4 Under Neutral Conditions”研究团队通过金属-唑类框架（MAF-4）和双核Cu(I)复合物（Cuobpy）的结合，成功制备了具有超高载量双铜位点的氮掺杂多孔碳（NPCs）。这些催化剂在中性电解液中展现出了优异的电化学CO2还原活性，特别是在产乙烯（C2H4）方面。通过调整Cuobpy与MAF-4的投料比，实现了对双铜位点载量的精确控制，最高载量达到了21.2 wt%，远超先前报道的18 wt%。
论文亮点
1.超高载量双铜位点：通过MAF-4的纳米笼效应和Cuobpy的高度可溶性，实现了在NPCs中双铜位点的超高载量（21.2 wt%），避免了高温碳化过程中的聚集问题。
2.优异的电化学性能：NPCMAF-4-Cu2-21在中性条件下展现出了52%的法拉第效率和180 mA cm−2的电流密度，显著优于其他报道的催化剂。
3.机理探究：通过operando ATR-FTIR光谱和DFT计算，揭示了CO2到C2H4的电还原路径，为理解反应机理提供了关键中间体信息。
图文导读
图 1. a) NPCMAF-4-Cu2合成的示意图。b) NPCMAF-4-Cu2-21的STEM和元素映射图像，显示了Cu、C和N所有四个元素的均匀分布。c) NPCMAF-4-Cu2-21的Cu K边XANES光谱。d) NPCMAF-4-Cu2-21的矫正透射高角环形暗场（HAADF）-STEM图像以及来自原子位点1和2的强度剖面。e) NPCMAF-4-Cu2-21的R'空间EXAFS光谱。
图 2. a) NPCMAF-4-Cu2-21在电催化前后的XPS光谱和b) Cu LMM光谱。c) NPCMAF-4-Cu2-21在77 K时的N2吸附等温线。d) NPCMAF-4-Cu2-21的孔径分布。
图 3. a) NPCMAF-4-Cu2-21在0.1 m KHCO3溶液中，分别饱和Ar和CO2的流池装置中的LSV曲线。b) NPCMAF-4-Cu2-21作为催化剂在不同电位下不同还原产物的法拉第效率（FEs）。c) NPCMAF-4-Cu2-21的部分电流密度与代表性催化剂的比较中的能量效率。d) 在CO2饱和的0.1 m KHCO3溶液中，NPCMAF-4-Cu2-21在-1.4 V vs. RHE下的耐久性测试。
图 4. a,b) NPCMAF-4-Cu2-21在CO2饱和的0.1 m KHCO3电解液中的operando ATR-FTIR光谱。c) 可能的eCO2RR路径。
结论
本研究通过主客体策略，利用MAF-4的纳米笼效应和Cuobpy的高度可溶性，成功制备了超高载量双铜位点的氮掺杂多孔碳催化剂。这些催化剂在中性条件下展现出了优异的eCO2RR性能，特别是产乙烯方面。研究不仅提供了一种制备高载量单原子或双原子位点催化剂的新策略，还为设计活性位点以提高eCO2RR性能提供了新的思路。
作者简介
廖培钦，中山大学化学学院，教授，博士生导师。入选2018年度国家级青年人才项目。2016年07月至今，工作于中山大学化学学院陈小明院士研究团队。长期致力于金属有机框架（MOF）的设计、合成、催化和相关机理研究，并取得不少创新研究成果，目前与合作者一起发表SCI论文80余篇，论文累计被SCI他引7000余次，10篇论文入选ESI高被引/热点用论文，H指数为40。
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