雙功能單分子異質(zhì)結(jié)電催化劑用于完全選擇性CO2轉(zhuǎn)化集成有機氧化納米聚合單位：中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所利用可再生電力，將二氧化碳（CO2）高效轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品和燃料，對解決能源和環(huán)境危機具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，電催化CO2還原依然存在還原電勢高、電流密度小、產(chǎn)物選擇性低等問題，嚴(yán)重阻礙了其實際應(yīng)用。開發(fā)結(jié)構(gòu)明確、高效穩(wěn)定的電催化劑是解決這些問題的核心。目前，在眾多ECR催化劑中，具有高分散M-N4結(jié)構(gòu)的異相分子基催化劑表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。設(shè)計并合成具有特殊結(jié)構(gòu)的分子基催化劑，并將其以單分子水平牢固錨定在導(dǎo)電基底上有望獲得獨特的單分子異質(zhì)結(jié)。單分子異質(zhì)結(jié)內(nèi)的強相互作用（如電荷轉(zhuǎn)移作用，共價成鍵作用等）可以進(jìn)一步調(diào)控M-N4催化中心的電子結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)高效電化學(xué)催化。此外，一些有機基團(tuán)（如氨基基團(tuán)）被報道也可以有效促進(jìn)分子基催化劑在電催化CO2還原中CO2分子的吸附和活化。因此，將多種促進(jìn)效應(yīng)集成到一種催化平臺中，不僅有望實現(xiàn)電催化CO2還原性能的全面升級，而且有望實現(xiàn)多種反應(yīng)的整合并降低能源消耗。近日，來自中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所的朱起龍研究員在國際知名期刊Energy & Environmental Science上發(fā)表題為“Bifunctional single-molecular heterojunction enables completely selective CO2-to-CO conversion integrated with oxidative 3D nano-polymerization”的研究論文。該論文報道了一種獨特的單分子異質(zhì)結(jié)電催化劑，實現(xiàn)了高活性的完全選擇性CO2還原，并通過將電催化CO2還原與有機氧化納米聚合進(jìn)行耦合，構(gòu)建了一種“一石二鳥”的獨特催化范例。圖1. 圖示雙功能單分子異質(zhì)結(jié)電催化劑及其用于整合CO2還原和有機氧化納米聚合圖2. 單分子異質(zhì)結(jié)催化劑的合成及其透射電鏡圖要點一：單分子異質(zhì)結(jié)電催化劑的合理構(gòu)建
設(shè)計并合成了一種含12個疊氮基團(tuán)的新型鎳酞菁（N3NiPc），由于其獨特的分子結(jié)構(gòu)，通過強烈的π?π堆積作用、電荷轉(zhuǎn)移作用以及共價鍵合，可以有效地將N3NiPc以單分子形式錨定在碳納米管（CNT）上，實現(xiàn)了高穩(wěn)定的單分子異質(zhì)結(jié)電催化劑的構(gòu)建。測試結(jié)果表明，所制備的單分子異質(zhì)結(jié)電催化劑（N3NiPc-CNT）表現(xiàn)出100%的CO選擇性（產(chǎn)物中CO/H2比超過1000）、大的電流密度、超高的轉(zhuǎn)化頻率（TOF）及優(yōu)異的穩(wěn)定性。特別是在超過200 mA cm-2的大電流密度下，N3NiPc-CNT依然可以實現(xiàn)100%的FECO，CO/H2比可達(dá)700。要點三：局部微環(huán)境的巧妙構(gòu)筑研究發(fā)現(xiàn)，N3NiPc-CNT中豐富的疊氮基團(tuán)除了用于共價錨定，多余的疊氮基團(tuán)還可以被原位電化學(xué)還原為豐富的氨基官能團(tuán)，從而在M-N4活性中心有效地構(gòu)筑了表面局部微環(huán)境，提高了CO2的局部濃度并促進(jìn)活化。在一個電解系統(tǒng)中，N3NiPc-CNT單分子異質(zhì)結(jié)作為雙功能電催化劑用于整合陰極的CO2還原和陽極的有機氧化納米聚合，同時實現(xiàn)了陰陽極雙高附加值產(chǎn)品的高效制備和能源消耗的有效降低。這項工作為開發(fā)高效實用的ECR電催化劑及其集成電化學(xué)合成技術(shù)提供了范例性的參考。Bifunctional single-molecular heterojunction enables completely selective CO2-to-CO conversion integrated with oxidative 3D nano-polymerizationhttps://doi.org/10.1039/D0EE03731A中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，課題組長。曾先后獲得日本學(xué)術(shù)振興會（JSPS）基金（2013）、國家級青年人才計劃（2017）、福建省高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才項目（2018）、福建省首批青年人才托舉工程（2018）等。主要從事原子級納米多孔催化劑的能源應(yīng)用研究。迄今，在SCI期刊上發(fā)表原創(chuàng)性論文110余篇，其中以第一/通訊作者身份在Nat. Rev. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等國際知名期刊上發(fā)表論文近80篇，10多篇文章入選ESI高被引（top 1%）和ESI熱點（top 0.1%）論文，總引用7000多次，H因子36。多篇論文被選為期刊封面或熱點論文，部分工作被MaterialsViews，ChemistryViews，Science Daily，Science Newsline，Nanotechnology Now，R&D等眾多科學(xué)媒體作為研究亮點和重要進(jìn)展來報道。目前主持承擔(dān)福建省引進(jìn)高層次創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新人才項目、國家自然科學(xué)基金項目等課題。
