卤素和氮双配位的锰基催化剂用于高效电催化CO2还原

　　化石燃料的过度消耗引起巨大的能源和环境问题，而电催化CO₂转化制备高价值燃料和化学品的技术为缓解能源和环境问题提供了理想途径，尤其在开发廉价、丰富的CO₂还原电催化剂方面具有重要意义。中国科学院化学研究所张建玲课题组对廉价的锰基催化剂用于电催化CO₂还原方面进行了深入研究，相关研究结果发表在2019年7月的《自然通讯》(Nature Communications, 2019, 10: 2980)上，并被编辑选为亮点论文。 

　　锰是过渡元素中仅次于铁和钛的第三种高天然丰度元素，但在多相催化CO₂还原中的研究较为有限，且其活性远低于已报道的Fe、Ni、Co等金属基多相催化剂。该研究组通过设计卤素（Cl, Br, I）和氮双配位的锰原子催化剂，证实该结构可以改善锰原子的电子结构从而显著提高锰基多相催化剂的在CO₂还原过程中的电催化活性。该催化剂用于CO₂电催化还原反时，在过电位为0.49 V时，可以达到最高97%的CO法拉第效率，同时CO生成频率高达38347 h^-1。 

　　图1 锰催化剂的结构及其电催化CO₂还原机理研究。 

　　利用北京同步辐射装置（BSRF）1W1B-XAFS实验站开展的X射线吸收谱分析获得活性中心锰的原子配位结构，即锰与一个氯和四个氮原子配位（图1a-c）。进一步通过在电催化过程的原位X-射线吸收谱，结合密度泛函理论计算（图1d-i），揭示了氯元素的配位可以修饰活性锰原子在催化过程中的电子结构，使催化过程的中间体形成的自由能位垒大大降低，从而大大提高了CO₂的还原性能。该工作中，同步辐射技术在揭示材料深层次结构和原位跟踪催化反应方面发挥了重要作用。 

　　发表文章： 

　　Bingxing Zhang, Jianling Zhang,* Jinbiao Shi, Dongxing Tan, Lifei Liu, Fanyu Zhang, Cheng Lu, Zhuizhui Su, Xiuniang Tan, Xiuyan Cheng, Buxing Han, Lirong Zheng and Jing Zhang, Manganese acting as a high-performance heterogeneous electrocatalyst in carbon dioxide reduction. Nat. Commun., 2019, 10, 2980.