Ultrathin Nitrogenated Carbon Nanosheets with Single-Atom Nickel as an Efficient Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction

Xiaoxiong Huang Yingjie Ma Linjie Zhi

Citation:  Xiaoxiong Huang, Yingjie Ma, Linjie Zhi. Ultrathin Nitrogenated Carbon Nanosheets with Single-Atom Nickel as an Efficient Catalyst for Electrochemical CO2 Reduction[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(2): 2011050-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB202011050 shu

超薄氮掺杂碳纳米片负载单原子镍用于高效电催化还原二氧化碳

    通讯作者: 马英杰, mayj@nanoctr.cn
    智林杰, zhilj@nanoctr.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 51425302

    国家自然科学基金 51302045

    北京市自然科学基金 2182086

摘要: 将二氧化碳转化为高附加值的燃料和化学品是缓解当前能源危机和控制温室气体排放的有效策略之一,但此法受限于缺乏高活性与高选择性的电催化剂。因此,我们通过热解含镍金属有机框架结构(MOF)和二氰二胺制得负载高含量镍单原子(7.77% (w))的超薄氮掺杂二维碳纳米片用于电催化还原CO2生成CO。研究发现高温热解能将MOF中Ni2+转化为Ni+-N-C和Ni2+-N-C结构,且Ni+-N-C含量依赖于热解温度——其含量随热解温度增加呈现火山型变化。800 ℃下,Ni2+到Ni+-N-C的转化和石墨化的C生成达到最优水平。Ni+-N-C结构有适宜的*CO中间体结合能,能有效地抑制析氢反应的同时还能促进CO生成。因此,800 ℃热处理制得的材料(Ni-N-C-800)催化CO2生成CO效率最高。调节电解液浓度,能进一步优化电催化性能。当电解液(碳酸氢钾)浓度为0.5 mol·L-1时,Ni-N-C-800的CO生成选择性在较宽电压窗口内(-0.77到-1.07 V vs. RHE)都高于90%,且具有优良的稳定性。这些结果表明,选择合适的前躯体通过调控热解温度以及氮掺杂可以有效提高镍基MOF衍生催化剂的二氧化碳电催化性能。

English

    1. [1]

      Qiao, J.; Liu, Y.; Hong, F.; Zhang, J. Chem. Soc. Rev. 2014, 45, 631. doi: 10.1002/chin.201417263

    2. [2]

      白晓芳, 陈为, 王白银, 冯光辉, 魏伟, 焦正, 孙予罕. 物理化学学报, 2017, 33, 2388. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706131Bai, X. F.; Chen, W.; Wang, B. Y.; Feng, G. H.; Wei, W.; Jiao, Z.; Sun, Y. H. Acta Phys. -Chim. Sin. 2017, 33, 2388. doi: 10.3866/PKU.WHXB201706131

    3. [3]

      Zheng, T.; Jiang, K.; Wang, H. Adv. Mater. 2018, 30, 1802066. doi: 10.1002/adma.201802066

    4. [4]

      Tran-Phu, T.; Daiyan, R.; Fusco, Z.; Ma, Z.; Amal, R.; Tricoli, A. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1906478. doi: 10.1002/adfm.201906478

    5. [5]

      Li, F.; Thevenon, A.; Rosas-Hernández, A.; Wang, Z.; Li, Y.; Gabardo, C. M.; Ozden, A.; Dinh, C. T.; Li, J.; Wang, Y.; et al. Nature 2020, 577, 509. doi: 10.1038/s41586-019-1782-2

    6. [6]

      Morales-Guio, C. G.; Cave, E. R.; Nitopi, S. A.; Feaster, J. T.; Wang, L.; Kuhl, K. P.; Jackson, A.; Johnson, N. C.; Abram, D. N.; Hatsukade, T.; et al. Nat. Catal. 2018, 1, 764. doi: 10.1038/s41929-018-0139-9

    7. [7]

      Tee, S. Y.; Win, K. Y.; Teo, W. S.; Koh, L. D.; Liu, S.; Teng, C. P.; Han, M. Y. Adv. Sci. 2017, 4, 1600337. doi: 10.1002/advs.201600337

    8. [8]

      Hoffert, M. I.; Caldeira, K.; Benford, G.; Criswell, D. R.; Green, C.; Herzog, H.; Jain, A. K.; Kheshgi, H. S.; Lackner, K. S.; Lewis, J. S.; et al. Science 2002, 298, 981. doi: 10.1126/science.1072357

    9. [9]

      Zhang, Y. -J.; Sethuraman, V.; Michalsky, R.; Peterson, A. A. ACS Catal. 2014, 4, 3742. doi: 10.1021/cs5012298

    10. [10]

      Zhang, W.; Hu, Y.; Ma, L.; Zhu, G.; Wang, Y.; Xue, X.; Chen, R.; Yang, S.; Jin, Z. Adv. Sci. 2018, 5, 1700275. doi: 10.1002/advs.201700275

    11. [11]

      Chang, X.; Wang, T.; Zhao, Z. J.; Yang, P.; Greeley, J.; Mu, R.; Zhang, G.; Gong, Z.; Luo, Z.; Chen, J.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 15415. doi: 10.1002/anie.201805256

    12. [12]

      Zhu, W.; Michalsky, R.; Metin, O. N.; Lv, H.; Guo, S.; Wright, C. J.; Sun, X.; Peterson, A. A.; Sun, S. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16833. doi: 10.1021/ja409445p

    13. [13]

      Liu, S. B.; Tao, H. B.; Zeng, L.; Liu, Q.; Xu, Z. H.; Liu, Q. X.; Luo, J. -L. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 2160. doi: 10.1021/jacs.6b12103

    14. [14]

      Liu, S.; Xiao, J.; Lu, X. F.; Wang, J.; Wang, X.; Lou, X. W. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 8499. doi: 10.1002/anie.201903613

    15. [15]

      García, J.; Jiménez, C.; Martínez, F.; Camarillo, R.; Rincón, J. J. Catal. 2018, 367, 72. doi: 10.1016/j.jcat.2018.08.017

    16. [16]

      金惠东, 熊力堃, 张想, 连跃彬, 陈思, 陆永涛, 邓昭, 彭扬. 物理化学学报, 2021, 37, 2006017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006017Jin, H. D.; Xiong, L. K.; Zhang, X.; Lian, Y. B.; Chen, S.; Lu, Y. T.; Deng, Z.; Peng, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2006017. doi: 10.3866/PKU.WHXB202006017

    17. [17]

      Jiang, K.; Sandberg, R. B.; Akey, A. J.; Liu, X.; Bell, D. C.; Nørskov, J. K.; Chan, K.; Wang, H. Nat. Catal. 2018, 1, 111. doi: 10.1038/s41929-017-0009-x

    18. [18]

      Lee, S.; Park, G.; Lee, J. ACS Catal. 2017, 7, 8594. doi: 10.1021/acscatal.7b02822

    19. [19]

      Bushuyev, O. S.; De Luna, P.; Dinh, C. T.; Tao, L.; Saur, G.; van de Lagemaat, J.; Kelley, S. O.; Sargent, E. H. Joule 2018, 2, 825. doi: 10.1016/j.joule.2017.09.003

    20. [20]

      Ye, R. P.; Ding, J.; Gong, W.; Argyle, M. D.; Yao, Y. G. Nat. Commun. 2019, 10, 5698. doi: 10.1038/s41467-019-13638-9

    21. [21]

      Zhou, W.; Cheng, K.; Kang, J. C.; Zhou, C.; Subramanian, V.; Zhang, Q. H.; Wang, Y. Chem. Soc. Rev. 2019, 48. doi: 10.1039/C8CS00502H

    22. [22]

      Yang, X. -F.; Wang, A. Q.; Qiao, B. T.; Li, J.; Liu, J. Y. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1740. doi: 10.1021/ar300361m

    23. [23]

      Qiao, B.; Wang, A.; Yang, X.; Allard, L. F.; Jiang, Z.; Cui, Y.; Liu, J.; Li, J.; Zhang, T. Nat. Chem. 2011, 3, 634. doi: 10.1038/nchem.1095

    24. [24]

      Ju, W.; Bagger, A.; Hao, G. -P.; Varela, A. S.; Sinev, I.; Bon, V.; Cuenya, B. R.; Kaskel, S.; Rossmeisl, J.; Strasser, P. Nat. Commun. 2017, 8, 944. doi: 10.1038/s41467-017-01035-z

    25. [25]

      Jiao, L.; Yang, W. J.; Wan, G.; Zhang, R.; Zheng, X. S.; Zhou, H.; Yu, S. H.; Jiang, H. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2. doi: 10.1002/anie.202008787

    26. [26]

      Zhang, X.; Wu, Z.; Zhang, X.; Li, L.; Li, Y.; Xu, H.; Li, X.; Yu, X.; Zhang, Z.; Liang, Y.; et al. Nat. Commun. 2017, 8, 14675. doi: 10.1038/ncomms14675

    27. [27]

      Lin, L.; Li, H. B.; Yan, C. C.; Li, H. F.; Si, R.; Li, M. R.; Xiao, J. P.; Wang, G. X.; Bao, X. H. Adv. Mater. 2019, 31, 1903470. doi: 10.1002/adma.201903470

    28. [28]

      Gu, J.; Hsu, C. S.; Bai, L.; Chen, H. M.; Hu, X. Science 2019, 364, 1091. doi: 10.1126/science.aaw7515

    29. [29]

      Zhang, H.; Li, J.; Xi, S.; Du, Y.; Wang, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 131, 42. doi: 10.1002/ange.201906079

    30. [30]

      Zhang, X.; Wang, Y.; Gu, M.; Wang, M.; Zhang, Z. S.; Pan, W. Y.; Jiang, Z.; Zheng, H. Z.; Lucero, M.; Wang, H. L.; et al. Nat. Energy 2020, 5, 684. doi: 10.1038/s41560-020-0667-9

    31. [31]

      Yang, H. B.; Hung, S. -F.; Liu, S.; Yuan, K. D.; Miao, S.; Zhang, L. P.; Huang, X.; Wang, H. -Y.; Cai, W. Z.; Chen, R.; et al. Nat. Energy 2018, 3, 140. doi: 10.1038/s41560-017-0078-8

    32. [32]

      Yan, Y.; Gu, P.; Zheng, S. S.; Zheng, M. B.; Pang, H.; Xue, H. G. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 19078. doi: 10.1 039/c6ta08331e

    33. [33]

      Li, F.; Han, G. -F.; Noh, H. -J.; Kim, S. -J.; Lu, Y. L.; Jeong, H. Y.; Fu, Z. P.; Baek, J. -B. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2263. doi: 10.1039/C8EE01169A

    34. [34]

      Miao, X.; Qu, D.; Yang, D.; Nie, B.; Zhao, Y.; Fan, H.; Su, Z. Adv. Mater. 2018, 30, 1704740. doi: 10.1002/adma.201704740

    35. [35]

      Zhao, Y.; Liang, J.; Wang, C.; Ma, J.; Wallace, G. G. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702524.1. doi: 10.1002/aenm.201702524

    36. [36]

      Wen, C. F.; Mao, F. X.; Liu, Y. W.; Zhang, X. Y.; Fu, H. Q.; Zheng, L. R.; Liu, P. F.; Yang, H. G. ACS Catal. 2020, 10, 1086. doi: 10.1021/acscatal.9b02978

    37. [37]

      He, S.; Ji, D.; Zhang, J.; Novello, P.; Liu, J. J. Phys. Chem. B 2020, 3, 511. doi: 10.1021/acs.jpcb.9b09730

    38. [38]

      Lu, C.; Yang, J.; Wei, S.; Bi, S.; Xia, Y.; Chen, M.; Hou, Y.; Qiu, M.; Yuan, C.; Su, Y.; et al. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806884. doi: 10.1002/adfm.201806884

    39. [39]

      Sa, Y. J.; Jung, H.; Shin, D.; Jeong, H. Y.; Ringe, S.; Kim, H.; Hwang, Y. J.; Joo, S. H. ACS Catal. 2020, 10, 10920. doi: 10.1021/acscatal.0c02325

    40. [40]

      Gabardo, C. M.; Seifitokaldani, A.; Edwards, J. P.; Dinh, C. T.; Burdyny, T.; Kibria, M. G.; O'Brien, C. P.; Sargent, E. H.; Sinton, D. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 2531. doi: 10.1039/C8EE01684D

    41. [41]

      Gao, F. -Y.; Bao, R. -C.; Gao, M. -R.; Yu, S. -H. J. Mater. Chem. A 2020, 8, 15458. doi: 10.1039/D0TA03525D

    42. [42]

      Seifitokaldani, A.; Gabardo, C. M.; Burdyny, T.; Dinh, C. T.; Edwards, J. P.; Kibria, M. G.; Bushuyev, O. S.; Kelley, S. O.; Sinton, D.; Sargent, E. H. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 3833. doi: 10.1021/jacs.7b13542

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  110
  • HTML全文浏览量:  7
文章相关
  • 发布日期:  2022-02-15
  • 收稿日期:  2020-11-19
  • 接受日期:  2020-12-13
  • 修回日期:  2020-12-12
  • 网络出版日期:  2020-12-18
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章