朱起龙课题组：MOFs衍生二维电催化剂实现高效成对电合成

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甲酸/甲酸盐作为一种重要的化工原料以及燃料被广泛应用于化工、能源等领域。但工业化制备甲酸/甲酸盐的过程通常是十分耗时且耗能的。与之相对的是，电化学合成工艺可以在常温常压下得到甲酸/甲酸盐产物，是一种非常有前景的替代方案。然而，如何设计开发高效稳定的甲酸/甲酸盐电化学合成体系是目前面临的最大挑战之一。

        电催化CO2还原反应 (CO2RR) 是一种生产甲酸/甲酸盐行之有效的方法。具有超薄结构的铋烯 (Bi-ene) 纳米片材料，因其具有良好的导电性、丰富的缺陷和配位不饱和位点、极高的原子利用率、特殊的量子尺寸效应和应力作用等而展现出了优异的电还原CO2制甲酸/甲酸盐的潜力。但如何设计制备具有超薄结构的Bi-ene材料是目前研究面临的难点之一。另一方面，CO2全电解时阳极发生的析氧反应 (OER) 动力学缓慢，通常需要较高的过电位，严重降低了整体的能量效率，且产生的氧气产物附加值低。因此，近年来，人们在设计性能更佳的OER催化剂的同时，还提出了利用OER的替代反应来提高整体反应的效率。其中，利用电化学甲醇氧化反应 (MOR) 代替OER不仅可以显著降低电能消耗，还能选择性地获得更高附加值的甲酸/甲酸盐产物。更重要的是，甲醇来源丰富，价格低廉 (仅为甲酸的一半)，这也成为了生产甲酸/甲酸盐的另一条理想途径。
       基于此，中科院福建物构所结构化学国家重点实验室朱起龙研究员团队以及日本产业技术综合研究所徐强教授在国家自然科学基金等项目的资助下，报道了一种CO2RR耦合MOR的成对电合成策略，实现了在双电极电解体系中的阴、阳两极高效协同合成同一种甲酸盐产物，超宽电位范围下选择性均接近100%，大幅提高了电化学合成的整体经济效益。在该电化学合成体系中，阴极的CO2RR催化剂和阳极的MOR催化剂均是以金属有机框架材料（MOFs）为前驱体，通过原位电化学转化法设计合成的原子薄层Bi-enes及自支撑Ni(OH)2纳米片阵列。在阴极CO2RR中，Bi-enes表现出极其优异的电催化性能，在宽电势窗口以高选择性 (>95%)，大电流密度以及良好的稳定性实现甲酸盐的生成。作为MOR的工作电极，Ni(OH)2纳米片阵列仅需1.345以及1.388 V的低电压即可输出100和500 mA cm？2的超高电流密度，且以接近100%的选择性将甲醇转化成甲酸盐。两电极的催化性能均明显优于目前报道的绝大多数催化剂。因此，基于CO2RR-MOR耦合的成对电合成体系可展现出卓越的电催化合成性能，同时在阴、阳两极以接近100%的选择性高效生成甲酸盐。
        综上所述，该工作为高性能电催化剂的制备提供了新的思路；同时也为新型电化学合成体系以及CO2全电解体系的开发提供了借鉴。相关工作已在线发表在《先进材料》（Adv. Mater. 2021, 33, 2008631）上，该论文第一作者为朱起龙研究员指导的在读博士生曹昌盛同学。
近期，朱起龙研究团队在原子级纳米多孔催化剂的能源转换研究方面也取得了其它重要进展：Energy Environ. Sci. 2021, 14, 1544-1552；Adv. Mater. 2021, 33, 2006965; Appl. Catal. B 2021, 283, 119591; Appl. Catal. B 2021, 294, 120230; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 15014-15020; EnergyChem 2020, 2, 100033；Coord. Chem. Rev. 2020, 422, 213483等。
         论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202008631


       文章来源：福建物构所
       朱起龙，博士导师，研究员，课题组长。2012年毕业于中国科学院福建物质结构研究所获博士学位。2012-2017年在日本产业技术研究所进行博士后工作，从事多孔材料的催化研究。博士和博士后期间在SCI期刊上发表原创性论文50多篇，他引2000多次。其中部分研究成果以第一/通讯作者身份发表在Chem (Cell Press)、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、ACS Energy Lett.、ACS Catal.、Chem. Sci.等高档次杂志期刊上，多篇论文被选为期刊封面或热点论文。2017年3月以高层次人才引进到中科院福建物质结构研究所工作，任研究员和课题组长。先后获得日本学术振兴会（JSPS）基金（2013）、中国科学院海西研究院“百人计划”（2017年）等。