ChemSusChem：酞菁钴分子工程策略应用于电催化高效还原低浓度CO2至CO

南开大学何良年教授绿色化学团队通过对酞菁钴进行分子工程修饰，构建了用于电化学还原低浓度CO₂的催化剂，为酞菁钴的负载及改善低浓度CO₂电化学还原效率提供了一种有效的分子工程策略。

在分子水平上对酞菁钴（CoPc）结构进行优化，可以使其具有在低过电位下实现高选择性、高电流密度的潜力，从而成为最具前景的电化学还原CO₂催化剂之一。然而，具有共轭大π体系的CoPc溶解在溶液中或滴涂在电极上时，严重的聚集使其展现出较差的电化学CO₂还原能力。此外，CO₂在水相溶液中的低溶解度降低电化学CO₂还原的效率。因此，采用有效的分子工程技术，进行负载化及均匀分散，使其展示优异的电化学CO₂还原能力，同时改善低CO₂浓度时的电化学还原效率，是目前设计CO₂还原电催化剂的热点之一。

有鉴于此，南开大学何良年教授团队巧妙地选用了具有富氮结构的聚吡咯作为载体，通过原位化学聚合的方法，在碳布表面将修饰了苯磺酸基团的CoPc交联到聚吡咯上，不仅能够实现CoPc的负载，使其均匀分散及提高稳定性。富氮结构还有助于富集CO₂，从而提高电化学CO₂还原效率。在相对于可逆氢电极为-0.9 V的电位下电解10 h后，催化剂仍表现出优异的产物CO选择性（对CO的法拉第效率高达95%）。可喜的是，在稀释的CO₂环境中（CO₂浓度为18%），也表现出很高CO的选择性（法拉第效率为90.6%）。相比之下，裸露的CoPc以及CoPc与碳纳米管（CNT）物理混合制备的CoPc/CNT则展示出较差的选择性。在纯CO₂中，裸露的CoPc仅展示68%的对CO的法拉第效率，在CO₂浓度为54%时，CoPc/CNT对CO的法拉第效率为82.2%，表明聚吡咯不仅能够分散CoPc，还能抑制析氢反应，以及富集CO₂从而促进CO₂还原反应的进行。

通过控制实验确定了该电催化剂中的活性物种为Co离子，并根据前期相关研究提出了该体系中电化学CO₂还原反应可能的机理：CO₂首先吸附在富氮的聚吡咯上；随后分别通过电子转移步骤或耦合的H⁺/e^-转移步骤，吸附的CO₂配位到还原的Co(I)上，分别形成Co-CO₂-或Co-CO₂H加合物；通过第二次H⁺/e^-转移进一步还原，形成Co-CO中间体，解吸后得到CO产物。这种简单的、利用富氮聚合物来负载分子催化剂的分子工程策略，为构建适用于低浓度CO₂还原的电催化体系及原位点还原提供了新策略。