Chem. Asian J. ：g-C3N4负载三原子催化剂用于高效二氧化碳电催化还原

二氧化碳的消除与转化对环境和人类健康具有重要意义。设计开发廉价高效的二氧化碳电催化还原催化剂是最具有前景的方法之一。其中原子级分散活性位协同二维载体作为催化剂由于具有优异的催化性能和高原子利用率受到了广泛关注。但电催化还原CO2过程具有电流密度低，产物众多以及析氢反应竞争等问题，提高催化剂的活性与选择性仍存在挑战。

近日，沈阳师范大学/中国石油大学（北京）赵震教授课题组，通过密度泛函理论计算的方法，研究了CO₂在g-C₃N₄负载三原子催化剂上M₃@g-C₃N₄ (M=Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Ru)的反应机理，计算结果发现其中Cu₃@g-C₃N₄可以将CO₂电催化还原为甲烷分子，而Cr₃@g-C₃N₄、Fe₃@g-C₃N₄和Co₃@g-C₃N₄等催化剂更容易将CO₂还原为附加值更高的碳二产物C₂H₄，这些结果为设计过渡金属三原子催化剂提供了理论指导。

图1. 催化剂的结构以及二氧化碳的吸附构型

金属三原子可以稳定的锚定在g-C₃N₄的空腔中，结合能在-7.17eV到-9.39eV之间。二氧化碳分子可以被活性中心有效的吸附并且由直线型结构活化为V字形结构（图1）。Cu₃@g-C₃N₄对CO₂电催化还原展现出高活性和选择性，电势决定步骤为羟基加氢过程，而其它三原子催化剂由于活性中心对氧原子的强吸附作用导致活性较差，而CO₂在Fe₃@g-C₃N₄ 、Cr₃@g-C₃N₄和Co3@g-C₃N₄上生成碳二产物C₂H₄具有较低的限制电势，电势决定步骤分别为*CHCO→*CHCOH 和*COCO→*COCOH，共吸附的一氧化碳加氢过程是反应的关键步骤，并且析氢反应在Cr₃@g-C₃N₄和Co₃@g-C₃N₄上也被压制（图2）。

图2. CO2在催化剂上被还原为CH4和C2H4的机理

论文信息

Efficient Electrochemical Reduction of CO₂ on g-C₃N₄ Monolayer-supported Metal Trimer Catalysts: A DFT Study

Dr. Yu Ren, Prof. Xiaoying Sun, Dr. Hongyu Jing, Dr. Zean Xie, Prof. Zhen Zhao

Chemistry – An Asian Journal

DOI: 10.1002/asia.202201232