注册 English

金属有机框架衍生镍纳米颗粒在宽电位窗口内高效电催化二氧化碳还原

邵碧珠 ,  董慧君 ,  龚云南 ,  梅剑华 ,  蔡锋石 ,  刘金彪 ,  钟地长 ,  鲁统部

downloadPDF
引用本文: 邵碧珠, 董慧君, 龚云南, 梅剑华, 蔡锋石, 刘金彪, 钟地长, 鲁统部. 金属有机框架衍生镍纳米颗粒在宽电位窗口内高效电催化二氧化碳还原[J]. 物理化学学报, 2024, 40(4): 230502. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305026 shu
Citation:  Bizhu Shao,  Huijun Dong,  Yunnan Gong,  Jianhua Mei,  Fengshi Cai,  Jinbiao Liu,  Dichang Zhong,  Tongbu Lu. Metal-Organic Framework-Derived Nickel Nanoparticles for Efficient CO2 Electroreduction in Wide Potential Windows[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(4): 230502. doi: 10.3866/PKU.WHXB202305026 shu

金属有机框架衍生镍纳米颗粒在宽电位窗口内高效电催化二氧化碳还原

  • 1.

    天津理工大学新能源材料与低碳技术研究院, 材料科学与工程学院, 天津 300384;

  • 2.

    天津理工大学化学化工学院, 天津 300384

    • 通讯作者: 龚云南,Email:yngong@email.tjut.edu.cn; 刘金彪,Email:liujinbiao007@126.com; 钟地长,Email:dczhong@email.tjut.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划(2022YFA1502902),国家自然科学基金(22271218,22071182,22001043,21931007),天津市自然科学基金(20JCYBJC00380)资助项目

摘要: 电催化二氧化碳(CO2)还原被认为是将CO2转化为可再生能源产品的一种有前途的方法。开发性能优异的电催化剂高效完成这一重要反应是关键。镍基催化剂广泛应用于电催化CO2还原研究，但是，镍纳米颗粒经常表现较差的催化性能。在本文中，通过在氮气气氛中高温热解镍基金属有机骨架(MOF)、尿素和炭黑混合物，获得了镍纳米颗粒负载于多孔碳氮中的催化材料(NiNPs-NC)。有趣的是，NiNPs-NC在H型和流动相电池中都表现出优异的CO2电还原性能。在H型电解池和−0.67 –−1.07 V vs. RHE (可逆氢电极)电位窗口内，NiNPs-NC催化CO2还原为CO的法拉第效率大于90%，其中，在−0.87 V vs. RHE时，CO的法拉第效率约为100%。在流动相电解池和−0.50 – −0.70 V vs. RHE电位窗口内，NiNPs-NC催化CO2还原为CO的选择性大于95%。电化学阻抗谱图和塔菲尔斜率表征显示，NiNPs-NC的高催化活性归因于其在催化过程中的快速电荷转移。本文提供了一种制备高效CO2电还原催化剂的方法。

English

    1. [1]

      (1) Dowell, N. M.; Fennell, P. S.; Shah, N.; Maitland, G. C. Nat. Clim. Change 2017, 7, 243. doi: 10.1038/NCLIMATE3231(1) Dowell, N. M.; Fennell, P. S.; Shah, N.; Maitland, G. C. Nat. Clim. Change 2017, 7, 243. doi: 10.1038/NCLIMATE3231

    2. [2]

      (2) Shakun, J. D.; Clark, P. U.; He, F.; Marcott, S. A.; Mix, A. C.; Liu, Z.; Otto-Bliesner, B.; Schmittner, A.; Bard, E. Nature 2012, 484, 49. doi: 10.1038/nature10915(2) Shakun, J. D.; Clark, P. U.; He, F.; Marcott, S. A.; Mix, A. C.; Liu, Z.; Otto-Bliesner, B.; Schmittner, A.; Bard, E. Nature 2012, 484, 49. doi: 10.1038/nature10915

    3. [3]

      (3) Ding, M. L.; Flaig, R. W.; Jiang, H.-L.; Yaghi, O. M. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 2783. doi: 10.1039/c8cs00829a(3) Ding, M. L.; Flaig, R. W.; Jiang, H.-L.; Yaghi, O. M. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 2783. doi: 10.1039/c8cs00829a

    4. [4]

      (4) Wu, Q.-J.; Liang, J.; Huang, Y.-B.; Cao, R. Chem. Res. 2022, 55, 2978. doi: 10.1021/acs.accounts.2c00326(4) Wu, Q.-J.; Liang, J.; Huang, Y.-B.; Cao, R. Chem. Res. 2022, 55, 2978. doi: 10.1021/acs.accounts.2c00326

    5. [5]

      (5) Wang, C. L.; Lv, Z. H.; Yang, W. X.; Feng, X.; Wang, B. Chem. Soc. Rev. 2023, 52, 1382. doi: 10.1039/d2cs00843b(5) Wang, C. L.; Lv, Z. H.; Yang, W. X.; Feng, X.; Wang, B. Chem. Soc. Rev. 2023, 52, 1382. doi: 10.1039/d2cs00843b

    6. [6]

      (6) Lv, F.; Han, N.; Qiu, Y.; Liu, X. J.; Luo, J.; Li, Y. G. Coord. Chem. Rev. 2020, 422, 213435. doi: 10.1016/j.ccr.2020.213435(6) Lv, F.; Han, N.; Qiu, Y.; Liu, X. J.; Luo, J.; Li, Y. G. Coord. Chem. Rev. 2020, 422, 213435. doi: 10.1016/j.ccr.2020.213435

    7. [7]

      (7) Wu, Y. S.; Jiang, Z.; Lu, X.; Liang, Y. Y.; Wang, H. H. Nature 2019, 575, 639. doi: 10.1038/s41586-019-1760-8(7) Wu, Y. S.; Jiang, Z.; Lu, X.; Liang, Y. Y.; Wang, H. H. Nature 2019, 575, 639. doi: 10.1038/s41586-019-1760-8

    8. [8]

      (8) Li, L.; Li, X. D.; Sun, Y. F.; Xie, Y. Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 1234. doi: 10.1039/d1cs00893e(8) Li, L.; Li, X. D.; Sun, Y. F.; Xie, Y. Chem. Soc. Rev. 2022, 51, 1234. doi: 10.1039/d1cs00893e

    9. [9]

      (9) Xie, W.; Li, H.; Cui, G.; Li, J.; Song, Y.; Li, S.; Zhang, X.; Lee, J. Y.; Shao, M.; Wei, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 7382. doi: 10.1002/ange.202014655(9) Xie, W.; Li, H.; Cui, G.; Li, J.; Song, Y.; Li, S.; Zhang, X.; Lee, J. Y.; Shao, M.; Wei, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 7382. doi: 10.1002/ange.202014655

    10. [10]

      (10) Zhang, N.; Zheng, F. F.; Huang, B. L.; Ji, Y. J.; Shao, Q.; Li, Y. Y.; Xiao, X. H.; Huang, X. Q. Adv. Mater. 2020, 32, 1906477. doi: 10.1002/adma.201906477(10) Zhang, N.; Zheng, F. F.; Huang, B. L.; Ji, Y. J.; Shao, Q.; Li, Y. Y.; Xiao, X. H.; Huang, X. Q. Adv. Mater. 2020, 32, 1906477. doi: 10.1002/adma.201906477

    11. [11]

      (11) Du, Y. D.; Meng, X. T.; Wang, Z.; Zhao, X.; Qiu, J. S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2101009. [杜亚东, 孟祥桐, 汪珍, 赵鑫, 邱介山. 物理化学学报, 2022, 38, 2101009.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202101009

    12. [12]

      (12) Gong, W.; Chen, Z. J.; Dong, J. Q.; Liu, Y.; Cui, Y. Chem. Rev. 2022, 122, 9078. doi: 10.1021/acs.chemrev.1c00740(12) Gong, W.; Chen, Z. J.; Dong, J. Q.; Liu, Y.; Cui, Y. Chem. Rev. 2022, 122, 9078. doi: 10.1021/acs.chemrev.1c00740

    13. [13]

      (13) Zhao, M. T.; Huang, Y.; Peng, Y. W.; Huang, Z. Q.; Ma, Q. L.; Zhang, H. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 6267. doi: 10.1039/c8cs00268a(13) Zhao, M. T.; Huang, Y.; Peng, Y. W.; Huang, Z. Q.; Ma, Q. L.; Zhang, H. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 6267. doi: 10.1039/c8cs00268a

    14. [14]

      (14) Du, J.; Li, F.; Sun, L. C. Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 2663. doi: 10.1039/d0cs01191f(14) Du, J.; Li, F.; Sun, L. C. Chem. Soc. Rev. 2021, 50, 2663. doi: 10.1039/d0cs01191f

    15. [15]

      (15) Gao, Z. Q.; Wang, C. Y.; Li, J. J.; Zhu, Y. T.; Zhang, Z. C.; Hu, W. P. Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37, 2010025. [高增强, 王聪勇, 李俊俊, 朱亚廷, 张志成, 胡文平. 物理化学学报, 2021, 37, 2010025.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202010025

    16. [16]

      (16) Zou, L. L.; Hou, C.-C.; Liu, Z.; Pang, H.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 15393. doi: 10.1021/jacs.8b09092(16) Zou, L. L.; Hou, C.-C.; Liu, Z.; Pang, H.; Xu, Q. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 15393. doi: 10.1021/jacs.8b09092

    17. [17]

      (17) Shen, Y.; Pan, T.; Wang, L.; Ren, Z.; Zhang, W. N.; Huo, F. W. Adv. Mater. 2021, 33, 2007442. doi: 10.1002/adma.202007442(17) Shen, Y.; Pan, T.; Wang, L.; Ren, Z.; Zhang, W. N.; Huo, F. W. Adv. Mater. 2021, 33, 2007442. doi: 10.1002/adma.202007442

    18. [18]

      (18) Bigdeli, F.; Lollar, C. T.; Morsali, A.; Zhou, H.-C. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4652. doi: 10.1002/anie.201900666(18) Bigdeli, F.; Lollar, C. T.; Morsali, A.; Zhou, H.-C. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4652. doi: 10.1002/anie.201900666

    19. [19]

      (19) Jiao, L.; Zhang, R.; Wan, G.; Yang, W. J.; Wan, X.; Zhou, H.; Shui, J. L.; Yu, S.-H.; Jiang, H.-L. Nat. Commun. 2020, 11, 2831. doi: 10.1038/s41467-020-16715-6(19) Jiao, L.; Zhang, R.; Wan, G.; Yang, W. J.; Wan, X.; Zhou, H.; Shui, J. L.; Yu, S.-H.; Jiang, H.-L. Nat. Commun. 2020, 11, 2831. doi: 10.1038/s41467-020-16715-6

    20. [20]

      (20) Wang, X. Q.; Chen, Z.; Zhao, X. Y.; Yao, T.; Chen, W. X.; You, R.; Zhao, C. M.; Wu, G.; Wang, J.; Huang, W. X.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1944. doi: 10.1002/anie.201712451(20) Wang, X. Q.; Chen, Z.; Zhao, X. Y.; Yao, T.; Chen, W. X.; You, R.; Zhao, C. M.; Wu, G.; Wang, J.; Huang, W. X.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1944. doi: 10.1002/anie.201712451

    21. [21]

      (21) Zhang, E. H.; Wang, T.; Yu, K.; Liu, J.; Chen, W. X.; Li, A.; Rong, H. P.; Lin, R.; Ji, S. F.; Zheng, X. S.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 16569. doi: 10.1021/jacs.9b08259(21) Zhang, E. H.; Wang, T.; Yu, K.; Liu, J.; Chen, W. X.; Li, A.; Rong, H. P.; Lin, R.; Ji, S. F.; Zheng, X. S.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 16569. doi: 10.1021/jacs.9b08259

    22. [22]

      (22) Huang, H. G.; Shen, K.; Chen, F. F.; Li, Y. W. ACS Catal. 2020, 10, 6579. doi: 10.1021/acscatal.0c01459(22) Huang, H. G.; Shen, K.; Chen, F. F.; Li, Y. W. ACS Catal. 2020, 10, 6579. doi: 10.1021/acscatal.0c01459

    23. [23]

      (23) Jiao, L.; Jiang, H.-L. Chem 2019, 5, 786. doi: 10.1016/j.chempr.2018.12.011(23) Jiao, L.; Jiang, H.-L. Chem 2019, 5, 786. doi: 10.1016/j.chempr.2018.12.011

    24. [24]

      (24) Ye, J. Q.; Yan, J. P.; Peng, Y. L.; Li, F. W.; Sun, J. Catal. Today 2023, 410, 68. doi: 10.1016/j.cattod.2022.09.005(24) Ye, J. Q.; Yan, J. P.; Peng, Y. L.; Li, F. W.; Sun, J. Catal. Today 2023, 410, 68. doi: 10.1016/j.cattod.2022.09.005

    25. [25]

      (25) Cheng, H. Y.; Wu, X. M.; Feng, M. M.; Li, X. C.; Lei, G. P.; Fan, Z. H.; Pan, D. W.; Cui, F. J.; He. G. H. ACS Catal. 2021, 11, 12673. doi: 10.1021/acscatal.1c02319(25) Cheng, H. Y.; Wu, X. M.; Feng, M. M.; Li, X. C.; Lei, G. P.; Fan, Z. H.; Pan, D. W.; Cui, F. J.; He. G. H. ACS Catal. 2021, 11, 12673. doi: 10.1021/acscatal.1c02319

    26. [26]

      (26) Yan, C. C.; Li, H. B.; Ye, Y. F.; Wu, H. H.; Cai, F.; Si, R.; Xiao, J. P.; Miao, S.; Xie, S. H.; Yang, F.; et al. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1204. doi: 10.1039/c8ee00133b(26) Yan, C. C.; Li, H. B.; Ye, Y. F.; Wu, H. H.; Cai, F.; Si, R.; Xiao, J. P.; Miao, S.; Xie, S. H.; Yang, F.; et al. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1204. doi: 10.1039/c8ee00133b

    27. [27]

      (27) Zhang, Y.; Jiao, L.; Yang, W. J.; Xie, C. F.; Jiang, H.-L. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 7607. doi: 10.1002/anie.202016219(27) Zhang, Y.; Jiao, L.; Yang, W. J.; Xie, C. F.; Jiang, H.-L. Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 7607. doi: 10.1002/anie.202016219

    28. [28]

      (28) Zhao, C. M.; Dai, X. Y.; Yao, T.; Chen, W. X.; Wang, X. Q.; Wang, J.; Yang, J.; Wei, S. Q.; Wu, Y. E.; Li, Y. D. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8078. doi: 10.1021/jacs.7b02736(28) Zhao, C. M.; Dai, X. Y.; Yao, T.; Chen, W. X.; Wang, X. Q.; Wang, J.; Yang, J.; Wei, S. Q.; Wu, Y. E.; Li, Y. D. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 8078. doi: 10.1021/jacs.7b02736

    29. [29]

      (29) Gong, Y.-N.; Jiao, L.; Qian, Y. Y.; Pan, C.-Y.; Zheng, L. R.; Cai, X. C.; Liu, B.; Yu, S.-H.; Jiang, H.-L. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2705. doi: 10.1002/anie.201914977(29) Gong, Y.-N.; Jiao, L.; Qian, Y. Y.; Pan, C.-Y.; Zheng, L. R.; Cai, X. C.; Liu, B.; Yu, S.-H.; Jiang, H.-L. Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2705. doi: 10.1002/anie.201914977

    30. [30]

      (30) Lu, P. L.; Yang, Y. J.; Yao, J. N.; Wang, M.; Dipazir, S.; Yuan, M. L.; Zhang, J. X.; Wang, X.; Xie, Z. J.; Zhang, G. J. Appl. Catal. B 2019, 241, 113. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.09.025(30) Lu, P. L.; Yang, Y. J.; Yao, J. N.; Wang, M.; Dipazir, S.; Yuan, M. L.; Zhang, J. X.; Wang, X.; Xie, Z. J.; Zhang, G. J. Appl. Catal. B 2019, 241, 113. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.09.025

    31. [31]

      (31) Ren, W. H.; Tan, X.; Yang, W. F.; Jia, C.; Xu, S. M.; Wang, K. X.; Smith, S. C.; Zhao, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6972. doi: 10.1002/anie.201901575(31) Ren, W. H.; Tan, X.; Yang, W. F.; Jia, C.; Xu, S. M.; Wang, K. X.; Smith, S. C.; Zhao, C. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 6972. doi: 10.1002/anie.201901575

    32. [32]

      (32) Yang, J.; Qiu, Z. Y.; Zhao, C. M.; Wei, W. C.; Chen, W. X.; Li, Z. J.; Qu, Y. T.; Dong, J. C.; Luo, J.; Li, Z. Y.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14095. doi: 10.1002/anie.201808049(32) Yang, J.; Qiu, Z. Y.; Zhao, C. M.; Wei, W. C.; Chen, W. X.; Li, Z. J.; Qu, Y. T.; Dong, J. C.; Luo, J.; Li, Z. Y.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14095. doi: 10.1002/anie.201808049

    33. [33]

      (33) Huang, X.; Ma, Y.; Zhi, L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2011050. [黄小雄, 马英杰, 智林杰. 物理化学学报, 2022, 38, 2011050.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202011050

    34. [34]

      (34) Geng, Z.; Cao, Y.; Chen, W.; Kong, X.; Liu, Y.; Yao, T.; Lin, Y. Appl. Catal. B 2019, 240, 234. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.08.075(34) Geng, Z.; Cao, Y.; Chen, W.; Kong, X.; Liu, Y.; Yao, T.; Lin, Y. Appl. Catal. B 2019, 240, 234. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.08.075

    35. [35]

      (35) Pan, F.; Zhang, H.; Liu, K.; Cullen, D.; More, K.; Wang, M.; Feng, Z.; Wang, G.; Wu, G.; Li, Y. ACS Catal. 2018, 8, 3116. doi: 10.1021/acscatal.8b00398(35) Pan, F.; Zhang, H.; Liu, K.; Cullen, D.; More, K.; Wang, M.; Feng, Z.; Wang, G.; Wu, G.; Li, Y. ACS Catal. 2018, 8, 3116. doi: 10.1021/acscatal.8b00398

    36. [36]

      (36) Gao, C. Y.; Liu, S. X.; Xie, L. H.; Ren, Y. H.; Cao, J. F.; Sun, C. Y. CrystEngComm. 2007, 9, 545. doi: 10.1039/B704433J(36) Gao, C. Y.; Liu, S. X.; Xie, L. H.; Ren, Y. H.; Cao, J. F.; Sun, C. Y. CrystEngComm. 2007, 9, 545. doi: 10.1039/B704433J

  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  430
  • HTML全文浏览量:  27
文章相关
  • 发布日期:  2023-06-16
  • 收稿日期:  2023-05-12
  • 接受日期:  2023-06-08
  • 修回日期:  2023-06-08
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

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net