迄今为止，金属催化剂因其相对较高的稳定性和较高的电化学CO2还原反应(CO2RR)电流密度而成为研究最多的材料。提高工业级金属催化剂的稳定性和产品选择性是当前研究的课题之一。
近日，德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心Peter Bogdanoff，达姆施塔特工业大学Ulrike I. Kramm，Stephen Paul报道了系统地研究了不同过渡金属离子和氮掺杂碳催化剂（简称M−N−C）中M：Mn3+，Fe3+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+，或Sn4+等过渡金属离子作为活性中心对水溶液中电化学CO2还原反应的影响。
文章要点
1）研究人员通过X-射线光电子能谱（XPS），确定了基本上唯一存在的作为催化位点的孤立M-N4中心。
2）研究人员通过与质谱仪串联的旁路模式气体扩散电极装置中，对催化剂进行了电化学研究。这使得在线性扫描伏安法实验中几乎可以同时检测产物和电流密度，由此可以推导出与电位相关的比产率和法拉第效率。
3）研究人员对唯一能产生大量碳氢化合物（CH4和C2H4）的Cu−N−C催化剂在运行不同阶段后进行了催化失活后的XPS分析。这些数据揭示了Cu−N−C催化剂在操作条件下发生的电位诱导的电子变化。此外，研究人员进一步揭示了M−N−C催化剂对CO2转化为工业相关碳质原料的高亲和力，同时有效地抑制了竞争性析氢反应。
这些结果有助于更好地理解M−N−C中活性中心特别是中心金属离子的作用，并可通过量身定制的优化策略，显著提高该催化剂类别中CO2RR的选择性和活性。
参考文献
Stephen Paul, et al, Influence of the Metal Center in M−N−C Catalysts on the CO2 Reduction Reaction on Gas Diffusion Electrodes, ACS Catal. 2021
DOI: 10.1021/acscatal.0c05596
https://doi.org/10.1021/acscatal.0c05596
