静电纺丝迈向碳中和的大舞台！分享5篇助力碳中和的静电纺丝学术研究

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导语

目前我国已将“双碳”作为国家长期的发展目标，“双碳”产业布局具有重要战略价值，在当前技术条件下，布局二氧化碳等温室气体的综合利用与有效减排具有现实意义。

作为创新性技术，纳米技术对科学、工业和日常生活的各领域都发生了显著改变，尤其是在能源领域，纳米材料在新能源电池，太阳能电池等应用上有着突出的贡献。而纳米技术逐渐成为解决温室气体排放的关键技术，推动产业变革，实现能源可持续性和碳中和目标。

本文面向碳中和，整理了5篇静电纺丝纳米材料在CO2催化转化方面的应用研究。

1.江南大学杜明亮&朱罕教授团队：在面向碳中和高效催化转化材料的设计

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▷由于CO2分子的热力学稳定性和竞争性析氢反应，实现CO2电还原为增值原料的高效性和选择性一直是一个挑战。

▷本文利用电纺碳纳米纤维（CuNi-DSA/CNFs）合成了由原子分散的CuN4和NiN4双金属位组成的双单原子催化剂。理论分析表明Cu与Ni两者间存在的电荷补偿效应能够产生显著的电荷重排，所提出的CuN4-NiN4构型相较于单原子位点表现出更低的反应能垒。

▷为了实现CuNi-DSA的可控合成，课题组以静电纺丝纳米纤维(electrospun nanofibers)为反应模板，利用化学气相沉积法(CVD)制备得到负载于碳纳米纤维上的CuNi-DSA催化剂(CuNi-DSA/CNFs)，建立与理论计算一致的CuN4-NiN4DSA模型催化剂。

▷此外，还构建了一种用于CO2功率转换的水性Zn-CO2电池。双原子结构的原子级电负性偏移为开发CO2RR的高级电催化剂提供了一个有吸引力的方向。

DOI:doi.org/10.1002/aenm.202200579

2.哈尔滨工业大学熊岳平教授团队：富氧空位形貌可控的ZnO催化剂促进CO2电还原为CO

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▷电化学CO2还原（ECR）在实现碳中和和能源可持续性方面有很好的发展前景，但其应用的低选择性和低活性仍然阻碍了其应用。

▷电催化剂的缺陷工程，特别是在金属氧化物材料中引入氧空位，已被证明是满足ECR热力学条件和改善动力学的有效策略。

▷在此，研究人员通过使用特定前驱体的静电纺丝技术合成了用于高效ECR的富氧空位ZnO纳米颗粒催化剂。

▷表征表明，Zn(CH3COO)2 前驱体的使用有助于在 ZnO 催化剂中产生氧空位，从而增强 CO2 吸附并稳定中间体。在流通池配置中，对于 ZnO 纳米颗粒催化剂 (p-ZnO-800)，可以获得 150 mA cm-2 的电流密度和 > 80% 的 CO 法拉第效率，这对工业具有重要意义。

DOI:doi.org/10.1016/j.jcou.2022.102051

3.重庆大学魏子栋教授团队：通过空间限制热解改善NiNX和吡啶氮活性中心以实现有效的CO2电还原

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▷尽管各种镍-氮-碳（Ni-N-C）组合是CO2电还原反应（CO2RR）的潜在低成本催化剂，这是实现碳中和的一种途径，但不同N物种的详细作用几乎没有研究。

▷本研究提出了一种使用简易静电纺丝和SiO2空间受限热解策略开发的具有NiNX吡啶氮活性物种（表示为h-Ni-N-C）的中空多孔掺氮碳纳米纤维。NiNX吡啶氮物种在热解过程中容易生成，提高了CO2RR的活性和选择性。

▷密度泛函理论（DFT）结果表明，NiN 4 -吡啶N物种在催化剂的速率决定步骤中表现出比单独的NiN 4和吡啶N物种更低的自由能，而不影响CO∗中间体的解吸。

▷DFT计算结果表明，活性NiN X -吡啶N物种不仅改善了碳的电子传导，还增强了关键反应中间体的吸附过程。这种高性能催化剂的设计，具有独特的纳米结构和结合的活性位点，为未来用于电化学能量存储和转换的功能材料的开发提供了指导。

DOI:doi.org/10.1016/j.esci.2022.05.002

4.新加坡国立大学S. Kawi教授教授团队：含氧空位的高介孔纳米纤维中包裹的镍纳米粒子用于高效CO2甲烷化

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▷CO2甲烷化的性能与氧空位有着关键的关系，因此对氧空位活化的基本认识非常重要。

▷本文采用浸渍法和静电纺丝法制备了一系列镍基CeO2催化剂，从中间产物的动态分析和氧空位的相关性方面研究了CO2甲烷化性能的变化。

▷这个NiNPs@CeO2NF采用共静电纺丝法制备的催化剂在250°C和300°C的低温下表现出优异的催化性能，CO2转化率分别为50.6%和82.3%，在400°C的高温下具有60小时的优异稳定性。所获得的催化性能可归因于受限环境以及镍纳米颗粒和CeO2纳米纤维之间的协同效应。

▷此外，原位拉曼光谱证实，纳米纤维可以形成更多的活性氧空位，并能很好地吸附CO2。原位漂移分析表明，单齿和桥联双齿甲酸盐是CO2甲烷化的关键中间体。

DOI:doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121715

5.上海交通大学王如竹教授团队：通过吸附直接捕获空气的最新进展

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▷近年来，直接空气捕捉（DAC）取得了重大进展。有证据表明，通过吸附大规模部署DAC在技术上是可行的，每年可捕获十亿吨二氧化碳。然而，基于吸附的DAC技术仍然需要付出很大的努力。本综述对过去五年中基于吸附的 DAC 的材料开发、吸附剂成型、原位表征、吸附机理模拟、工艺设计、系统集成和技术经济分析进行了详尽的描述。

▷关于静电纺丝技术，本文提到由于具有高灵活性、尺寸可调和生产成本低的优点，通过干湿纺或静电纺丝制备的纤维吸附剂有利于制造独特的气固接触，允许足够的传质、低压降和先进的热调制。

▷为了使基于吸附的DAC商业化，需要研究和开发在低温下运行且具有优异CO2吸附能力和动力学的结构化吸附剂、具有低传热和传质阻力的新型气固接触器以及使用热、真空和蒸汽吹扫节能再生的方法，并且还需要进一步研究DAC在航空、农业、能源和化学工业中的应用。

▷这项工作有利于关注全球能源可持续发展和环境问题的研究人员，并为进一步部署负排放技术提供了视角。

DOI:doi.org/10.1039/D1CS00970B

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