原标题：深圳大学何传新JACS：构建有用单原子催化二氧化碳复原
▲榜首作者：杨恒攀，吴玉； 通讯作者： 何传新
文章DOI: 10.1021/jacs.9b04907
前语
CO2 是最首要的温室气体之一，一起也是一种廉价无毒、来历广泛的 C1 资源。 运用电化学办法复原 CO 2（CO2RR），不光具有环保价值百科，还能够取得具有必定经济价值百科的化学产品，因此遭到越来越多的重视。 但 CO 2RR 反响也存在一些问题，例如水溶液系统中的 CO2 电复原，其产品的选择性较差，会发生一系列的小分子产品； CO 2 电复原最常见的产品是甲酸和 CO，能够发生碳氢化物与醇类的事例很少； 一些催化剂产值较低、且呈粉末化、反响后难以收回运用；CO 2RR 催化剂往往安稳性较差，难以长期重复运用，这也约束了其实用价值百科。
近期，咱们规划了一种高效制备铜单原子的办法，并提出有用单原子概念。经过构建网络互穿孔和自支撑结构，大幅进步单原子在界面的概率，防止其因为被包埋而失掉催化活性。因为取得很多有用单原子，使得能够在较低金属单原子含量下完成了较高的电流密度，具有必定的实践运用远景。碳纳米纤维薄膜（CuSAs/TCNFs）在实验室条件下一次能够制备 ~300 cm 2，且具有杰出的导电性与机械强度，裁剪后可将其直接作为作业电极用于 CO2 电复原，无需任何胶黏剂。 该催化剂的自支撑贯穿孔结构可防止活性位点被包埋在内部，构成很多可实践参加反响的有用铜单原子，用于高效的 CO 2 电复原。 CuSAs/TCNFs 薄膜用于水溶液系统中 CO 2RR，可得到 44％ 法拉第功率的甲醇，C1 产品的部分电流密度可到达 -93mA cm-2。 别的，该 CuSAs/TCNFs 薄膜可安稳运用 50 小时以上，而功用没有显着下降。
催化剂的制备与表征
▲图1. CuSAs/TCNFs 的组成道路（a）；柔性 CuSAs/TCNFs 薄膜的什物相片及其机械强度测验（b）。
关键：
经过构建网络互穿孔和自支撑结构，大幅进步单原子在界面的概率，防止其因为被包埋而失掉催化活性，取得很多有用单原子。 组成办法高效简洁，一次可取得 ~300 cm -2 的 CuSAs/TCNFs 薄膜，且易于规模化制备，具有必定的实践运用远景。 别的，该薄膜具有杰出的导电性以及柔韧性，可直接作为阴极，用于电化学 CO 2 复原反响，无需任何黏合剂。
▲图2. CuSAs/TCNFs 薄膜的 SEM 图（a-b）； CuSAs/TCNFs 的 TEM 图（c-d），EDX 元素散布图（e）和球差电镜图（f）。
关键：
由电镜图可知，CuSAs/TCNFs 薄膜在微观上是三维交联的碳纳米纤维，且单根碳纳米纤维具有显着的多级孔结构。 碳、氮、铜元素均匀的散布在纳米纤维上，铜元素呈显着的单原子散布。
▲图3. 四个样品的 XRD（a）图谱； CuSAs/TCNFs 的 N 1s（b）和 Cu 2p（c）XPS图谱；CuSAs/TCNFs 的 XANES（d）与 EXAFS（e-f）图谱。
关键：
CuSAs/TCNFs 中铜元素没有构成铜颗粒，确实以铜单原子形状散布，且为 Cu-N4-C结构。
催化功用与机理
▲图4. 不同催化剂在 CO2 氛围下的 LSV 曲线（a）；CuSAs/TCNFs（b），CuSAs/CNFs（c）以及 TCNFs（d）催化剂用于 CO 2RR 的甲醇，CO 和 H2 的法拉第功率图； 三种催化剂的部分电流（e）； 在 -0.9 V RHE 阴极电位下，CuSAs/TCNFs 催化剂的安稳性和重复运用性测验（f）。
关键：
CuSAs/TCNFs 催化剂用于电化学 CO2RR，能够取得 44％ 法拉第功率的甲醇，一起其 C1 产品的部分电流密度能够到达 -93mA cm-2。 而且 CuSAs/TCNFs 催化剂能够接连运用 50 小时以上，其催化活性没有显着下降。
▲图5. CuSAs/TCNFs的CO2复原途径示意图（a）； Cu-N4-C，Ni-N4-C，N-C结构的DFT核算模型图（b）与自由能垒图（c）；不同催化剂对CO2吸附比照图（d）。
关键：
DFT 核算标明，Cu-N4-C 结构能够有用地下降 *COOH 中间体的吉布斯自由能，进步 CuSAs/TCNFs 的催化活性。 一起 Cu-N 4-C 对 *CO 中间体的吸附才能较强，能够使*CO中间体进一步被复原成为甲醇。 此外，CuSAs/TCNFs 的多级孔结构能够进步电化学活性面积，增强CO 2吸附才能，添加CO2RR的有用活性位点，构成较高的电流密度。
通讯作者介绍
何传新，博士，教授。 深圳市高层次人才, 2014 年当选广东省高等学校优异青年教师，2015 年获深圳市青年科技奖，2015 当选广东省百千万工程青年优秀人才。首要从事锂离子电池粘结剂的开发；功用纳米粒子的制备、拼装及在燃料电池中的运用研究；高功用电催化剂的规划组成及在水分化和二氧化碳复原中的运用。
宣布论文 80 余篇，SCI 录入 73 篇, 其间多篇论文宣布在 Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Small, Chemsuschem, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry A, Carbon, Journal of Power Source 等威望杂志上；作为首要发明人请求国家发明专利 29 项，授权 17 项；请求美国专利 5 项，授权 3 项；授权欧洲专利 2 项，日本专利 1项；完成专利转化 2 项。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b04907
（点击文末｢阅览原文｣直达原文阅览）
责任编辑：