在溫和條件下，利用電催化還原將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值的化學產(chǎn)品和燃料，為解決化石能源危機與環(huán)境污染問題提供了富有前景的策略。然而，穩(wěn)定的二氧化碳分子導致其電催化還原面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，高選擇性和高活性電催化劑的設計是解決限制二氧化碳還原性能的關鍵。
碳載體不僅可以分散電催化活性位點，還可以提供有效的電子傳輸路徑，從而強化金屬與碳載體間的協(xié)同優(yōu)勢促進二氧化碳的高效轉(zhuǎn)化。但是，高溫碳化合成過程中，通常金屬納米顆粒利用熱驅(qū)動的聚集與團聚來降低自身的表面能，不可避免地導致活性面積的損失和催化的失活。
近日，山東大學張進濤教授課題組，以碳包覆鉍核殼結(jié)構(gòu)為研究對象，耦合低熔點鉍的熱擴散效應與碳限域作用提出了一種熱解驅(qū)動的活性位點調(diào)控與優(yōu)化新策略，構(gòu)筑了空心碳殼中鑲嵌鉍納米顆粒的電催化劑，實現(xiàn)了二氧化碳的高效電催化還原。
針對熱處理過程中的熔融和團聚問題，碳殼包覆的限域作用可有效抑制鉍核的進一步團聚。在核殼結(jié)構(gòu)的限域空間中，熱驅(qū)動的擴散過程使鉍核逐步分散到空心碳殼中形成納米顆粒。同時，鉍金屬的蝕刻作用創(chuàng)造形成多孔結(jié)構(gòu)。因此，中空多孔碳殼既能提供有效的電子與離子傳輸通道，又發(fā)揮氮摻雜碳的錨定作用抑制鉍的聚集與失活，從而有效強化電催化過程實現(xiàn)二氧化碳的穩(wěn)定電催化轉(zhuǎn)化。 原位表征技術和理論計算結(jié)果表明，鉍鑲嵌的碳殼中空結(jié)構(gòu)可有效強化碳載體與金屬間的相互作用降低二氧化碳的還原能壘。同時，中空多孔結(jié)構(gòu)利用局部限域環(huán)境調(diào)節(jié)中間體的選擇性，實現(xiàn)二氧化碳的選擇性轉(zhuǎn)化。 該工作中，張進濤教授團隊提出了低熔點金屬的熱驅(qū)動擴散調(diào)控新策略，發(fā)揮碳殼的限域作用將鉍納米顆粒分散到空心多孔碳中，從而解決電催化過程中活性位點的聚集和失活問題，為設計高效穩(wěn)定的電催化劑提供了新思路。 論文信息 Thermal-Driven Dispersion of Bismuth Nanoparticles among Carbon Matrix for Efficient Carbon Dioxide Reduction Weijian Guo, Dr. Xueying Cao, Dr. Dongxing Tan, Dr. Bari Wulan, Jizhen Ma, Prof.?Dr. Jintao Zhang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202401333
