金属-有机配位结构与界面调控电催化二氧化碳还原

摘要

电催化二氧化碳还原(CO_(2)RR)利用可再生能源(如太阳能和风能)将CO_(2)转化为燃料和高附加值化学品,因而被广泛认为是“一石二鸟”的绿色技术来解决能源与环境问题.然而,CO_(2)RR的大规模应用仍严重受限于缺乏高效稳定的CO_(2)RR催化剂.非均相分子催化剂和金属-有机框架因具有明确的结构且金属中心和配体可以调节与修饰,在CO_(2)RR的基础研究和实际应用中都展现出巨大潜力.本文综述了这些具有明确结构的金属-有机配位化合物的结构与界面调控应用于CO_(2)RR领域的工作.介绍了CO_(2)RR的基础电化学、催化剂的性能评价指标(包括过电位、法拉第效率、塔菲尔斜率、转化频率和电化学能量效率)和三种常用电解池(H型电解池、流动电解池和膜电极组件)的优缺点.重点总结近期非均相分子催化剂中金属中心、配体效应和分子-载体相互作用的调控及金属-有机框架的结构工程和原位重构等方面的重点工作.迄今,具有不同金属中心(如Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn等)和配体(包括酞菁、卟啉和金属中心轴向配位等)的非均相分子催化剂和金属-有机框架被报道用于高效CO_(2)RR.调节催化剂-载体相互作用,抑制催化剂团聚并增强其导电性,可有效地提高分子催化剂的活性和稳定性.制备导电金属-有机框架、在金属-有机框架中引入活性位点或促进剂并控制金属-有机框架的原位重构,为构建高效CO_(2)RR催化剂带来更多机会.金属-有机配位化合物的结构和界面工程是发展高效CO_(2)RR催化剂的重要方向.然而,金属-有机配位化合物用于CO_(2)RR仍处于初级发展阶段,充分发挥其潜力任重道远.根据目前研究面临的问题,总结和展望该领域未来应关注的方向:(1)定向合成新颖分子催化剂、金属-有机框架和载体及其结构和界面的精准调控;(2)非均相分子催化剂和金属-有机框架在CO_(2)RR的大规模应用;(3)追踪和调控非均相分子催化剂和金属-有机框架的重构;(4)阐明金属-有机配位结构和CO_(2)RR性能的构-效关系.本文为高效CO_(2)RR催化剂设计与合成提供一定参考.