溫室效應導致全球氣候環(huán)境日趨惡化，二氧化碳電還原技術提供了一種緩解溫室效應的同時又可以制備精細化學品實現(xiàn)人工碳循環(huán)的新途徑。開發(fā)高效電催化劑是該領域的核心問題。目前，金屬基材料用于二氧化碳電還原催化劑被廣泛研究報道，但是這些材料普遍存在著價格昂貴、潛在毒性、資源有限等問題。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)通過摻雜氮、硼、硫和氟元素能夠使非金屬基材料如石墨烯、介孔碳、納米鉆石、碳納米管、碳納米纖維等產(chǎn)生二氧化碳電還原活性。當前，絕大部分報道的非金屬基二氧化碳催化劑都聚焦于摻雜碳材料以及將雜原子作為反應活性位。那么，有沒有其它非金屬基材料和新的活性位能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳的高效電還原呢？ 

　　氮化碳是以3-s-三嗪環(huán)為結構單元的共軛聚合物。它具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、生物相容性和結構可調(diào)性，是一種可量產(chǎn)、廉價、環(huán)境友好型材料。由于氮化碳骨架結構對氫具有很強的吸附作用，因此氮化碳非常利于析氫反應從而導致其對二氧化碳電還原表現(xiàn)出非常弱的催化活性。 

　　天津大學張兵課題組發(fā)現(xiàn)經(jīng)過簡單的表面雙官能團化能夠?qū)⒌加啥趸茧姶呋栊圆牧限D(zhuǎn)化成活性催化劑。一系列實驗結果表明表面羥基和氨基能夠作為雙活性位點協(xié)同活化氮化碳實現(xiàn)二氧化碳電還原。理論模擬證明羥基和氨基能夠協(xié)同降低反應活化能，優(yōu)化反應路徑，進而促進反應高效進行。相關研究成果發(fā)表于2019年10月30日的《ACS Catalysis》。 

　　利用北京同步輻射裝置（BSRF）4B9B-光電子能譜實驗站的實驗技術，克服了傳統(tǒng)表征手段無法獲得非晶態(tài)局域精細結構的缺陷，發(fā)現(xiàn)羥基修飾氮化碳（O-PCN）、氨基修飾氮化碳（A-PCN）、雙官能團修飾氮化碳（OA-PCN）的骨架結構與本體氮化碳（PCN）保持一致。由于O-PCN和A-PCN與PCN的二氧化碳活化性能相近，結合BSRF測試結果，可以初步得出OA-PCN的高活性可能與其表面接枝的雙官能團有關。進一步排除比表面積、電化學活性面積、親水性、二氧化碳吸附性能和電子傳導能力對活性的貢獻，確定OA-PCN能夠高效電還原二氧化碳歸因于表面接枝的雙官能團。這些結果也與理論預測的結果相吻合，確定了反應的雙官能團協(xié)同催化機制。 

　　精準確定氮化碳結構，從而可以確定是特定的結構的調(diào)控可以顯著提升性能。不僅如此，它也能夠幫助我們解析雙官能團的引入是否引起電子的推拉效應這一問題，這一點對于理解催化機制十分的重要。天津大學理學院化學系教授、該研究組組長張兵教授這樣描述他們的工作“這是個有趣的發(fā)現(xiàn)，簡單的表面雙官能團化就能夠?qū)崿F(xiàn)材料由惰性轉(zhuǎn)變成活性，并且使它能夠達到與金屬基催化劑相近的性能，這是一種新的催化體系。這項工作同時也展示出BSRF在解析非晶結構和揭示反應機制方面的獨特優(yōu)勢。” 

　　發(fā)表文章： 

　　Nannan Meng, Wei Zhou, Yifu Yu, Yang Liu, and Bin Zhang*. Superficial Hydroxyl and Amino Groups Synergistically Active Polymeric Carbon Nitride for CO₂ Electro-reduction. ACS Catal.， 2019, 9, 12, 10983-10989.