本研究报道了具有单插层碱土金属（AEM）原子的原子分散Ca - N₄掺杂石墨烯双分子层的发展，标记为CaN₄-AEM-CaN₄，旨在增强二氧化碳到C₁和C₂产物的电催化转化。这些催化剂显著提高了CO₂还原反应（CO₂RR）的活性，并微调了C₁和C₂途径之间的选择性。
基于研究的理论发现，提出了一种电子转移机制，其中AEM原子在非吸附中间过程中充当两层的电子供体，在吸附过程中充当电子助推器，促进电子从非吸附层转移到吸附层，从而提高催化性能。AEMs还影响反应途径，通过调节选择性促进更有价值的C₂产物的形成。在CaN₄-AEM-CaN₄体系中，CaN₄-Sr-CaN₄表现出优异的极限电位（- 0.93 V），表现出优异的co2 -to-乙醇转化的电化学催化活性。本研究强调了CaN₄-AEM-CaN₄催化剂增强多碳CO₂RR的潜力，并为驱动其活性和选择性的电子转移机制提供了关键见解。
 
  
图1(a) CaN₄, (b) CaN₄ - CaN₄, (c) CaN₄ - Be - CaN₄, (d) CaN₄ - Mg - CaN₄, (e) CaN₄ - Ca - CaN₄, (f) CaN₄ - SrCaN₄的优化结构。（C、N、Be、Mg、Ca、Sr原子分别为灰色、深蓝色、紫色、黄色、绿色和浅蓝色。）
 
  
图2. CO₂RR对HER对CaN₄、CaN₄ - CaN₄和各种CaN₄ -AEM- CaN₄催化剂的选择性。
 
 
图3. 基于前人的研究，提出了CO₂RR中C₁和C₂产物的可能途径。
 
 
图4. C₁与C₂途径在CaN₄、CaN₄ - CaN₄和各种CaN₄ - AEM - CaN₄催化剂上的选择性。
 
 
图5. CaN₄-AEM-CaN₄催化剂上Co₂ - C₂H₅OH转化的自由能图。
 
  
图6.催化剂的C₁ / C₂选择性和CH₃CH₂OH生成活性性能图。
 
 
图7. COOH、CO、CHO、COH、OCCO、COCHO、COCOH和CH₂O中间体在CaN₄、CaN₄ - CaN₄和各种CaN₄ - AEM - CaN₄催化剂上的吸附能。
 
 
图8. 桥接金属的DOS、配位N（黑色）、Ca活性位点（蓝色）、桥接原子（红色）和COOH（绿色）的吸附层。
 
 
图9. COOH中间体在(a) CaN₄, (b) CaN₄ - CaN₄, (c) CaN₄ - Be - CaN₄, (d) CaN₄ - Mg - CaN₄, (e) CaN₄ - Ca - CaN₄和(f) CaN₄ - Sr - CaN₄上吸附后双层结构之间的电子转移。
 
       相关研究成果由华东理工大学Zhencheng Ye、重庆绿色智能技术研究院Yuhan Mei和Houyang Chen课题组2024年发表在Industrial & Engineering Chemistry Research (链接：https://doi.org/10.1021/acs.iecr.4c03238)上。原文：Enhancing Electrocatalysis of CO2 to Ethanol via Intercalated Electron Boosters in an Atomically Dispersed Ca–N4-Doped Graphene Bilayer

转自《石墨烯研究》公众号