電化學(xué)催化二氧化碳(CO2)轉(zhuǎn)化成甲烷(CH4)在支持碳捕獲和利用方面引起了極大的關(guān)注，因?yàn)镃H4不僅可以用作燃料，還可以用作氫載體。因此設(shè)計(jì)具有優(yōu)異的CO2-CH4轉(zhuǎn)化活性和選擇性的電催化劑是極其需要的，目前這仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。這里提出了一種分子調(diào)節(jié)策略，即原位胺功能化含氮石墨烯量子點(diǎn)（GQDs），以實(shí)現(xiàn)高效的CO2-CH4轉(zhuǎn)化。胺功能化的氮摻雜GQD在170和258 mA·cm-2電流密度下分別實(shí)現(xiàn)了63%和46%的CH4法拉第效率，這性能接近或甚至優(yōu)于最先進(jìn)的銅基電催化劑。該GQD還將CO2轉(zhuǎn)化為C2產(chǎn)品，主要包括C2H4和C2H5OH，最大FE≈10%。系統(tǒng)分析表明，CH4產(chǎn)率隨胺基含量線(xiàn)性變化，而C2產(chǎn)率與吡啶N摻雜劑含量正相關(guān)。這項(xiàng)工作為合理設(shè)計(jì)工業(yè)級(jí)CO2-CH4轉(zhuǎn)化的碳催化劑提供了重要的見(jiàn)解。
Figure 1. 原始和功能化aGQD的物理和化學(xué)表征。a) N-aGQDs-A9 的低倍率 TEM 圖像。b)粒徑尺寸分布。c) 明場(chǎng) HRTEM 圖像，顯示了扭曲的石墨烯結(jié)構(gòu)。 d) XRD、e) 拉曼光譜和 f) FTIR光譜 g)高分辨率 N 1s XPS光譜。h) N 含量分布。i) 高分辨率O 1s XPS光譜。
Figure 2. NH2-功能化的aGQD樣品用于CO2電還原的活性和穩(wěn)定性評(píng)估。a) CH4的FE，b) CH4電流密度，c) C2 產(chǎn)物的 FE，以及 d) C2 產(chǎn)物的電流密度。e) N-aGQDs-A9樣品在-0.98 V恒定電位下的穩(wěn)定性測(cè)試。
Figure 3．CO2 反應(yīng)活性與 N含量的相關(guān)性。a) CH4 的 FE 和 b) CH4的電流密度對(duì)-NH2 (N2) 含量的依賴(lài)性。c) C2 產(chǎn)物的 FE 和 d) C2 產(chǎn)物的電流密度對(duì)吡啶 N (N1) 含量的依賴(lài)性。
Figure 4．NH2 -功能化GQD 的表征和 CO2 電還原性能。a) TEM 圖像， 插圖：粒徑直方圖。b) HRTEM 圖像。c) 高分辨率N 1s XPS光譜。d) CH4的FE 和 e) CH4 的電流密度。 f) 在各種外加電位下，CH4 的電流密度與-NH2 原子含量的關(guān)系。
該研究工作由萊斯大學(xué)Pulickel M. Ajayan課題組于2021年發(fā)表在A(yíng)dv. Mater.期刊上。原文：Amine-Functionalized Carbon Nanodot Electrocatalysts Converting Carbon Dioxide to Methane。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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