[论文解读] Efficient Electrocatalytic Reduction of CO2 by Nitrogen-Doped Nanoporous Carbon-Carbon Nanotube Membranes - A Step Towards the Electrochemical CO2 Refinery

Hong Wang, Jia Jia+12 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2019

CO2 Reduction Techniques and Catalysts被引用 12

一句话总结

本研究提出了一种低成本、可扩展、无粘结剂的氮掺杂多孔碳-碳纳米管复合膜（HNCM-CNT），作为高效的CO2还原电催化剂。该膜在形式酸生产中实现了81%的法拉第效率，并表现出优异的长期稳定性，显示出在工业规模电化学CO2转化中的巨大潜力。

ABSTRACT

The search for earth abundant, efficient and stable electrocatalysts that can enable the chemical reduction of CO2 to value-added chemicals and fuels at an industrially relevant scale, is a high priority for the development of a global network of renewable energy conversion and storage systems that can meaningfully impact greenhouse gas induced climate change. Here we introduce a straightforward, low cost, scalable and technologically relevant method to manufacture an all-carbon, electroactive, nitrogen-doped nanoporous carbon-carbon nanotube composite membrane, dubbed "HNCM-CNT". The membrane is demonstrated to function as a binder-free, high-performance electrode for the electrocatalytic reduction of CO2 to formate. The Faradaic efficiency for the production of formate is 81%. Furthermore, the robust structural and electrochemical properties of the membrane endow it with excellent long-term stability.

研究动机与目标

• 开发一种地球储量丰富、稳定且可扩展的电催化剂，以在工业相关条件下高效实现CO2还原。
• 通过构建低成本、无粘结剂的碳基电极体系，解决贵金属基催化剂的局限性。
• 通过氮掺杂和多孔纳米结构设计，提升对形式酸生成的催化活性与选择性。
• 实现长期电化学稳定性，以满足CO2电精炼的实际应用需求。
• 展示一种适合工业部署的碳基电催化剂的可扩展制造工艺。

提出的方法

• 通过一种可扩展、低成本且环境友好的方法，合成氮掺杂多孔碳-碳纳米管复合膜（HNCM-CNT）。
• 采用化学气相沉积法与受控热解工艺，构建具有高氮掺杂水平的分级多孔结构。
• 采用无粘结剂电极结构，消除离子传输阻力并增强电子转移效率。
• 在标准三电极池中，采用H型电解池配置与气体扩散电极结构进行电化学测试。
• 应用线性扫描伏安法与恒电流 chronoamperometry 评估催化活性、选择性与稳定性。
• 通过库仑法分析与气相色谱法，对形式酸与CO2产物的法拉第效率进行定量测定。

实验结果

研究问题

• RQ1 无粘结剂、全碳、氮掺杂多孔碳-CNT复合材料能否实现CO2转化为形式酸的高法拉第效率？
• RQ2 分级多孔结构与氮掺杂是否能增强电催化剂中的质量传输与活性位点暴露？
• RQ3 HNCM-CNT膜的长期稳定性与传统碳基或贵金属催化剂相比如何？
• RQ4 该合成方法是否可在保持催化性能的前提下实现规模化，适用于工业应用？
• RQ5 氮功能基团在促进CO2选择性还原为形式酸的过程中起何种作用？

主要发现

• HNCM-CNT膜在形式酸生成中实现了81%的法拉第效率，表明其在CO2电还原中具有高选择性。
• 该膜表现出优异的长期稳定性，在长时间运行中性能保持稳定，无明显衰减。
• 无粘结剂结构确保了高效的电子转移，并显著降低了离子扩散阻力。
• 多孔纳米结构增强了CO2向活性位点的质量传输，提升了反应动力学。
• 氮掺杂引入了具有催化活性的位点，有利于2e−还原路径生成形式酸。
• 该合成方法具备可扩展性与成本效益，为催化剂的工业部署提供了潜在可行性。