北理工在鉍(Bi)單原子催化劑制備及電催化CO2還原性能研究方面取得重要突破
發(fā)布日期：2019-10-09 供稿：材料學(xué)院
編輯：邵澤 審核：張青山 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)材料學(xué)院張加濤課題組將無(wú)機(jī)納米界面合成化學(xué)推進(jìn)到單原子精度，與清華大學(xué)李亞棟院士、王定勝副教授團(tuán)隊(duì)合作，在Bi單原子催化劑精準(zhǔn)制備及電催化CO2還原性能研究方面取得突破性進(jìn)展，以“Bismuth Single Atoms Resulting from Transformation of Metal-Organic Frameworks and Their Use as Electrocatalysts for CO2 Reduction”為題，于10月5日在材料、化學(xué)領(lǐng)域的頂級(jí)期刊《Journal of the American Chemical Society》上在線發(fā)表， 2019, 10.1021/jacs.9b08259 (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b08259)。
圖1 Bi單原子催化劑的合成及電化學(xué)還原CO2性能
通過(guò)電化學(xué)方法將CO2還原轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的化學(xué)品或者燃料是新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前存在兩個(gè)主要問(wèn)題： 1) 過(guò)電勢(shì)高； 2) 析氫反應(yīng)（HER）的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致產(chǎn)物選擇性(法拉第效率, FE)低。因此設(shè)計(jì)具有優(yōu)異選擇性且高效的電催化劑，在低過(guò)電位下實(shí)現(xiàn)高FE和快速轉(zhuǎn)化為清潔能源具有重要意義。單原子催化劑近些年來(lái)以其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和最大化的原子利用效率吸引了廣泛關(guān)注。有鑒于此，張加濤研究團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)李亞棟院士團(tuán)隊(duì)合作，原創(chuàng)性熱解Bi金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)（Bi-MOF），利用原位電鏡觀測(cè)了Bi-MOF轉(zhuǎn)化為Bi納米顆粒、并在雙氰胺分解的氨氣輔助下原子化為Bi單原子的過(guò)程；利用球差校正電鏡、EXAFS等單原子精度的表征手段，證明了Bi以單原子位點(diǎn)形式存在。研究發(fā)現(xiàn)該材料作為電催化劑，在低過(guò)電位（0.39 V）下，展示出高的CO法拉第效率（97%）和高活性（TOF, 5535 h-1）；結(jié)合理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)單原子Bi-N4位點(diǎn)可有效活化CO2并利于形成CO產(chǎn)物的關(guān)鍵中間體COOH*。
上述研究進(jìn)展得到了國(guó)家自然科學(xué)基金 (NOs. 51631001, 51872030, 21890383, 51702016, 21671117, 21871159, 51501010)及北理工學(xué)術(shù)啟動(dòng)基金等的資助。北理工材料學(xué)院博士研究生張二歡作為共同第一作者（排名第一），北理工張加濤教授、戎宏盼副研究員和清華大學(xué)李亞棟院士、王定勝副教授為共同通訊作者，北理工為第一通訊單位。
圖2 張加濤教授近2年獲得的英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士稱(chēng)號(hào)及國(guó)際獲獎(jiǎng)
張加濤研究團(tuán)隊(duì)在“面向新能源、生物應(yīng)用的光電功能納米材料研究方面，近些年在半導(dǎo)體納米晶的摻雜、單原子精度異質(zhì)界面精準(zhǔn)合成研究方面取得系列進(jìn)展，發(fā)表了包括Angew. Chem. 2015, 2019; Nature Nanotech. 2018；Adv. Mater. 2014，2015，2016；Adv. Energy Mater. 2019；Adv. Funct. Mater. 2019；Nano Energy 2019等頂級(jí)期刊論文。近5年培養(yǎng)北理工優(yōu)秀博士、碩士論文8名，一級(jí)學(xué)會(huì)優(yōu)博1名。團(tuán)隊(duì)的研究成果得到了國(guó)際同行的廣泛認(rèn)可，張加濤教授2018年獲得英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士（FRSC）稱(chēng)號(hào)，獲得中國(guó)材料聯(lián)盟青年科學(xué)家獎(jiǎng)（2018）、IUPAC（國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)）杰出獎(jiǎng)（2019）等。
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