技術文02——多酸-卟啉MOF在CO2電催化還原中的應用
隨著人類活動的不斷加劇，空氣中的CO2含量持續(xù)增長，引發(fā)了全球變暖、酸雨、海平面上升等一系列生態(tài)環(huán)境問題。將空氣中過量的CO2直接轉(zhuǎn)化為人類所需的能源產(chǎn)品對于人類的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，能實現(xiàn)這一過程的策略之一是CO2電催化還原反應。催化劑能選擇性將CO2還原成可利用的單碳或多碳產(chǎn)物。然而，CO2固有的化學惰性和高的C=O鍵能使其活化過程特別困難。此外，CO2電還原過程中同時伴隨著H2副產(chǎn)物的產(chǎn)生，導致了CO2電還原的法拉第效率低、選擇性差。
金屬-有機框架材料（MOFs）具有多孔的結構、確定的晶體結構、開放的路易斯酸金屬位點等優(yōu)點，有利于吸附CO2分子，在CO2電還原方面表現(xiàn)出優(yōu)良的前景。然而，MOFs的導電性差、結構中缺乏給電子組分，不能在CO2電還原過程中提供充足的電子從而導致這些材料表現(xiàn)出較差的CO2電化學活性。
近日，南京師范大學蘭亞乾教授課題組在Nature Communications上發(fā)表論文。該工作將給電子基團多酸（POM）和CO2電還原的活性組分金屬卟啉（M-TCPP）同時組裝到MOF中從而提高材料的CO2電還原效率和選擇性。其中，富電子多酸（POM）是一種“電子海綿”，可以提供大量電子，M-TCPP固有的大環(huán)共軛π電子體系非常有利于電子遷移。POM與M-TCPP直接連接，會在電場的作用下產(chǎn)生一個定向的電子傳輸途徑，大量電子可以從POM流向M-TCPP，從而促進CO2電還原多電子遷移過程的實現(xiàn)。
M-PMOFs擁有很好的化學穩(wěn)定性，并且表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學活性，其中Co-PMOF能選擇性將CO2還原成CO，其法拉第效率高達99%，是已報道的MOFs電催化劑中法拉第效率最高的。在-0.8V下，TOF達到了1656 h-1。該催化劑具有非常好的催化穩(wěn)定性，能夠保持高催化效率循環(huán)使用36小時。
理化公司推出的CO2還原包裝置，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)條件下的CO2還原研究，既提供了旋轉(zhuǎn)條件，又保證了氣密性，從而保證氣相產(chǎn)物無損失作進一步分析。相比于靜態(tài)的CO2還原測試，可能獲得意想不到的研究效果。
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