具有特殊孔道结构的掺杂碳材料的设计及构筑及其电催化还原CO2研究

The project aims to the design and construction of novel systems with high-performance electrocatalytic reduction of CO2. Heteroatoms with high electronegativity will be introduced, and novel heteroatom-doped/co-doped carbon materials with porous structures (heteroatom-doped/co-doped graphdiynes and 3-D polymeric carbon frameworks) and its binary composites with polyoxometalates will be thus synthsized. First, a class of novel heteroatom -doped/co-doped graphdiynes will be synthesized by hydrothermal or high-temperature treatment, and will be used as metal-free electrocatalysts for CO2 reduction. Meanwhile, similar heteroatom-doped 3-D polymeric carbon frameworks will be synthesized by bottom-up construction, and will be used as metal-free electrocatalysts for CO2 reduction. Final, specific polyoxometalates will be selected and the corresponding binary polyoxometalates/heteroatom-doped carbon materials hybrids will be synthesized and used as cheap electrocatalysts for CO2 reduction. The role of the heteroatoms and the synergistic effects of different components toward CO2 reduction will be examined. Thus a novel, low-cost system with high-performance electrocatalytic reduction of CO2 can be expected.

本项目着眼于新型高效率电催化还原CO2体系的设计、构筑及应用，合成具有特定孔结构的新型高电负性杂原子掺杂碳原子网络结构（包括杂原子单掺杂或共掺杂石墨炔以及聚合物碳骨架网络材料），并进一步与多酸复合制备多酸/杂原子掺杂碳材料二元复合体系。首先，通过水热或高温煅烧处理等方法，制备出一系列新型杂原子单掺杂或共掺杂石墨炔，并以其作为无金属的电催化剂考察其在电催化还原CO2中的应用；同时，从有机小分子单体出发采用“自下而上”的方法制备类似杂原子掺杂的3-D聚合物碳骨架网络材料，并研究其作为无金属的电催化剂在电催化还原CO2中的应用；进一步，引进具有特定功能离子的杂多酸从而制备多酸/杂原子掺杂碳材料二元复合体系，并应用于电催化还原CO2的研究。探讨所掺杂元素对电催化还原CO2活性的影响，考察复合材料中各组元在电催化中的协同增强效应。本研究有望获得一类全新、高效、低成本的电催化还原CO2新体系。

本项目着眼于新型高效率电催化还原CO2体系的设计、构筑及应用，合成具有特定孔结构的新型高电负性杂原子掺杂碳原子网络结构（包括杂原子单掺杂或共掺杂石墨炔以及聚合物碳骨架网络材料），并进一步与多酸复合制备多酸/杂原子掺杂碳材料二元复合体系。首先，通过水热或高温煅烧处理等方法，制备出一系列新型杂原子单掺杂或共掺杂石墨炔，并以其作为无金属的电催化剂考察其在电催化还原CO2中的应用；同时，从有机小分子单体出发采用“自下而上”的方法制备类似杂原子掺杂的3-D聚合物碳骨架网络材料，并研究其作为无金属的电催化剂在电催化还原CO2中的应用；进一步，引进具有特定功能离子的杂多酸从而制备多酸/杂原子掺杂碳材料二元复合体系，并应用于电催化还原CO2的研究。探讨所掺杂元素对电催化还原CO2活性的影响，考察复合材料中各组元在电催化中的协同增强效应。本研究有望获得一类全新、高效、低成本的电催化还原CO2新体系。本项目按预定计划三年内顺利完成（2016.1-2018.12），成功制备了一系列基于多酸与特殊孔道的碳材料的二元或多元复合材料，研究发现所制备的功能复合材料具有很高的CO2电催化还原活性，尤其是制备的单原子Ni基多孔炭材料，对CO2的选择性还原具有高度的活性，法拉弟电流效率可达95%。项目共发表SCI论文11篇，其中包括IF>10的期刊上3篇（Energy &Environ. Sci， Appl. Catal. B: Environ.)，IF>5的期刊上发表4篇。