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技术文02——多酸-卟啉MOF在CO2电催化还原中的应用

随着人类活动的不断加剧,空气中的CO2含量持续增长,引发了全球变暖、酸雨、海平面上升等一系列生态环境问题。将空气中过量的CO2直接转化为人类所需的能源产品对于人类的可持续发展具有重要意义。目前,能实现这一过程的策略之一是CO2电催化还原反应。催化剂能选择性将CO2还原成可利用的单碳或多碳产物。然而,CO2固有的化学惰性和高的C=O键能使其活化过程特别困难。此外,CO2电还原过程中同时伴随着H2副产物的产生,导致了CO2电还原的法拉第效率低、选择性差。

  

金属-有机框架材料(MOFs)具有多孔的结构、确定的晶体结构、开放的路易斯酸金属位点等优点,有利于吸附CO2分子,在CO2电还原方面表现出优良的前景。然而,MOFs的导电性差、结构中缺乏给电子组分,不能在CO2电还原过程中提供充足的电子从而导致这些材料表现出较差的CO2电化学活性。

近日,南京师范大学兰亚乾教授课题组在Nature Communications上发表论文。该工作将给电子基团多酸(POM)和CO2电还原的活性组分金属卟啉(M-TCPP)同时组装到MOF中从而提高材料的CO2电还原效率和选择性。其中,富电子多酸(POM)是一种电子海绵,可以提供大量电子,M-TCPP固有的大环共轭π电子体系非常有利于电子迁移。POMM-TCPP直接连接,会在电场的作用下产生一个定向的电子传输途径,大量电子可以从POM流向M-TCPP,从而促进CO2电还原多电子迁移过程的实现。

M-PMOFs拥有很好的化学稳定性,并且表现出优异的电化学活性,其中Co-PMOF能选择性将CO2还原成CO,其法拉第效率高达99%,是已报道的MOFs电催化剂中法拉第效率最高的。在-0.8V下,TOF达到了1656 h-1。该催化剂具有非常好的催化稳定性,能够保持高催化效率循环使用36小时。

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