電化學(xué)CO₂還原反應(yīng)(CO₂RR)被認為是在溫和反應(yīng)條件下將CO₂轉(zhuǎn)化為有用和增值化學(xué)品/燃料的有前景的途徑。然而，由于CO₂活化和C=O鍵斷裂的高能壘，CO₂RR的發(fā)展受到過電位過高、能量轉(zhuǎn)換效率差和競爭性析氫反應(yīng)(HER)的阻礙。

基于此，南京大學(xué)金鐘課題組提出了一種將非貴金屬(Mn、Fe、Co、Ni和Cu)單原子錨定在具有明確且豐富的金屬-N₄卟啉位點的Zr₆簇-卟啉骨架空心納米“膠囊”(M-SAs/Zr-CPF)上的有效策略，以實現(xiàn)高效的電化學(xué)CO₂還原。

在這些樣品中，Co-SAs/Zr-CPF對CO₂表現(xiàn)出最高的電催化性能。分級Co-SAs/Zr-CPF的中空形態(tài)和原子分散的Co單原子有助于實現(xiàn)大的ECSA、快速的質(zhì)量傳輸、快速的電荷遷移率和高密度的活性中心，從而提高催化活性。

此外，由于Co-SAs/Zr-CPF較低的反應(yīng)能壘，相比于其他過渡金屬SAs(Mn、Fe、Ni 和 Cu)，Co-SAs在反應(yīng)過程中的*COOH中間體形成步驟以及*CO中間體解吸步驟更有利。

因此，Co-SAs/Zr-CPF對CO₂轉(zhuǎn)化為CO表現(xiàn)出最高的催化活性、選擇性和耐久性。當(dāng)用于集成太陽能驅(qū)動的CO₂RR-OER電解系統(tǒng)，Co-SAs/Zr-CPF顯示出12.5%的理想太陽能-CO能量轉(zhuǎn)換效率，證明了其在太陽能驅(qū)動的CO₂再利用的應(yīng)用中的巨大潛力。本研究為制備具有可調(diào)電子結(jié)構(gòu)和高電催化性能的單原子催化劑以實現(xiàn)CO₂循環(huán)和碳中和提供了一條有前景的策略。

Single-Atom Metal Anchored Zr₆-Cluster-Porphyrin Framework Hollow Nanocapsules with Ultrahigh Active-Center Density for Electrocatalytic CO₂ Reduction. Nano Letters, 2022. DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00547