二氧化碳导致的温室效应，气候变化等问题已经成为世界性的挑战。二氧化碳的捕集与转化是当前学术界的热点。二氧化碳的电化学还原是利用电能在温和可控的条件下还原二氧化碳为有用的燃料和化学品，是一种具有广阔应用前景的技术。由于二氧化碳电化学还原的机理、动力学以及产物分布与所使用的阴极催化剂密切相关，因此催化剂材料的研究与开发是二氧化碳电化学还原研究的重点。杂原子掺杂型碳基催化剂具有可调控的高表面积结构、析氢过电位高、稳定性好、成本低等特点，是电化学还原二氧化碳的较为理想的催化剂材料。
　　近日，金属所催化材料研究部李波副研究员带领的研究小组就杂原子掺杂碳基催化剂进行研究，提出一种磷掺杂的洋葱碳型催化剂（P-OLC）。利用不同的制备方法和多种表征手段（XPS,DRITFS,TGA,TPD），制备出具有不同磷元素化学状态的P-OLC，并用于二氧化碳电化学还原反应中的阴极材料。研究发现具有磷-碳化学态的P-OLC明显优于磷-氧-碳化学态的P-OLC，磷-碳态的P-OLC能够在-0.9 V下以4.9mA cm^-2的电流密度、81%的电流效率还原二氧化碳为一氧化碳，并且具有接近30小时的稳定性（图1）。第一性原理理论计算表明，磷-碳键的存在能够有效改善关键反应中间体COOH*在催化剂上的吸附，而且磷-碳键上的部分态密度相较于磷-氧-碳表现出明显的费米能级附近的态密度，说明磷-碳键能够提高反应位原子的活性。
　　此项工作是将磷元素掺杂首次应用于二氧化碳电化学还原反应，并成功揭示了磷元素的化学状态在反应中的关键作用，为未来的杂原子掺杂的碳基催化剂的开发提供了新思路。
　　文章于近日发表在Journal of Materials Chemistry A杂志上，选为内封底文章（inside Back Cover）, 并被编辑部评为2018“HOT paper”。这是该研究小组工作第二次入选Journal of Materials Chemistry A “HOT paper”。2017年“碳材料载体杂原子调控单原子金催化剂一氧化碳氧化反应的第一性原理计算”文章被评为2017“HOT paper” （J. Mater. Chem. A, 2017,5, 16653-16662）。
　　从2016年以来，李波研究小组详细研究了掺硼介孔碳、掺氮石墨烯以及石墨烯/碳纳米管复合结构等碳基催化剂在二氧化碳电化学还原中的催化性能和反应机理。基于前期工作，他们应邀以“CO₂ electoreduction reaction on heteroatom-doped carbon cathode materials”为题在J. Mater. Chem. A发表“Highlight”文章。文章归纳总结了碳材料电极材料研究中涉及的杂原子（氮、硼、硫等）、不同碳材料（碳纳米管，石墨烯，生物炭，纳米金刚石等）、反应产物分布（一氧化碳，甲酸，甲醇，甲烷，多碳产物等）以及反应机理（关键反应过渡态、活性位）与杂原子掺杂的关系（图2）， 提出掺杂策略对于碳基催化剂的至关重要作用，并对于未来碳基催化剂的研究与开发进行了展望。
　　以上工作得到国家自然科学基金、中石化、金属所优秀****、天河超算等基金的支持。
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图1 磷掺杂策略制备用于二氧化碳电化学还原催化剂图解及催化剂的表征与性能

图2 用于二氧化碳电化学还原的杂原子掺杂碳基催化剂的模型示意、制备方法、与机理图解