Small Methods:二维纳米材料电催化还原二氧化碳最新综述

随着化石燃料的日益开采与消耗,大气中二氧化碳(CO2)浓度已高达百万分之404(ppm),远远超过其安全上限350ppm,并且导致了日益严重的气候和环境问题,尤其是全球温室效应。如何将大气中的CO2回收转换成有用的化工原料或小分子燃料是维持可持续发展面临的巨大挑战之一。目前,电催化还原CO2是解决这一难题最具前景的技术手段。然而,该技术的关键在于寻找高效稳定的电催化剂。尽管早期的研究表明传统的块体金属对CO2电催化还原具有一定的活性,但是,块体金属往往存在电流密度低,过电势高,产物选择性差,以及容易失活等缺点。在最近几十年里,纳米科技飞速发展为这一研究领域注入了新的活力。与块体金属相比,纳米材料具有更大的比表面积,特定的晶面暴露,特殊的尺寸效应等特征,从而表现出更高的催化活性,更好的产物选择性,以及显著提高的稳定性。因此,纳米材料作为催化剂在电催化CO2还原方面取得了重大进展。在众多的纳米材料中,二维纳米材料因其独特的结构和尺寸效应,最近几年备受关注,被证明是目前技术上最先进的CO2还原电催化剂。

Small Methods:二维纳米材料电催化还原二氧化碳最新综述

通过对近几年相关文献进行案例分析,阿德莱德大学乔世璋教授课题组总结了二维纳米材料在电催化还原CO2领域的最新研究进展,重点讨论了三类二维纳米材料对CO2还原的电催化性能,包括以部分被氧化的超薄Co纳米片(4个原子层厚)为代表的原子级厚度的过渡金属/过渡金属氧化物、以MoSe2纳米片为代表的纳米结构过渡金属硫族化合物,以及以N掺杂石墨烯为代表的非金属二维材料。文章指出,在原子级层面对二维纳米材料实现结构、组分和氧化态的调控有望开发第一类二维纳米材料;在离子液体的辅助下,过渡金属硫族化合物的边缘金属原子对CO2电催化还原具有显著的催化活性和突出的稳定性,赋予第二类二维纳米材料巨大的开发潜能;异质原子掺杂能够有效地调控石墨烯的结构、电子和物化属性,使其成为第三类极具前途的二维纳米材料。同时,文章也讨论了二维纳米材料在CO2电催化还原领域存在的挑战与机遇。作者希望通过采用更先进的合成与表征手段,理论计算结合实验研究,进一步探究二维纳米材料及其纳米复合材料,有望在电催化还原CO2领域取得更多的突破。相关文章发表在Small MethodsDOI: 10.1002/smtd.201600006)上。


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