目前，常用于將CO2轉(zhuǎn)化為CO的電催化劑主要是貴金屬，如金基納米材料等，而非貴金屬催化劑的活性并不出色。已經(jīng)有許多單原子催化劑的研究報(bào)道，其中包括高度分散在固體載體上的單原子催化劑。這些催化劑雖然組成與納米顆粒或分子復(fù)合物相同，卻表現(xiàn)出不同的性質(zhì)和活性。

近日，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的胡喜樂教授和臺灣大學(xué)的陳浩銘教授在Science期刊發(fā)表了電催化CO2還原的最新成果。文章題目為“Atomically dispersed Fe3+?sites catalyze efficient CO2 electroreduction to CO”。該成果報(bào)道了一種原子級分散的鐵位點(diǎn)CO2電催化劑（Fe3+–N–C），該催化劑產(chǎn)生的CO的過電位低至80 mV，在340 mV過電位下，電流密度達(dá)94 mA cm-2。

圖1 Fe3+–N–C催化劑表征

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研究人員通過在N2下900℃熱解Fe摻雜的鋅（Zn）2-甲基咪唑酯骨架（ZIF-8））來制備Fe催化劑（Fe3+ -N-C）。X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）光譜（圖1F）顯示結(jié)合和邊緣能量接近于Fe2O3和Fe3+ -四苯基卟啉-Cl（Fe3 + TPPCl），表明Fe離子在合成的該催化劑中處于+3價(jià)氧化態(tài)。

圖2 Fe3+–N–C催化劑的CO2電催化還原性能

研究人員進(jìn)一步通過電化學(xué)測試，CO的法拉第效率在-0.2和-0.5 V之間高于80％（圖2A）， jCO在-0.47 V時(shí)達(dá)到20 mA cm-2（圖2B）。該電催化性能高于其余非貴金屬電催化劑（圖2C），并且表現(xiàn)出優(yōu)異的耐受穩(wěn)定性（圖2D）。

動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)表明，對于Fe3+-N-C催化劑，CO2的1電子還原也從質(zhì)子轉(zhuǎn)移分離。此外，CO2吸附很快，限速步驟是吸附的CO2質(zhì)子化以形成吸附的COOH中間體。這些結(jié)果表明Fe3+位點(diǎn)比傳統(tǒng)Fe2+位點(diǎn)具有更快的CO2吸附速度和更弱的CO吸附能力，因此Fe3+-N-C比Fe2+-N-C在反應(yīng)中具有更低的過電位。

圖3 原位XAS表征圖譜

研究人員采用原位 X射線吸收光譜證實(shí)在催化過程中具有催化作用的活性位點(diǎn)是單分散的Fe3+離子， Fe3+與氮摻雜的碳載體中的吡咯氮（N）原子通過電子耦合作用配位，從而在電催化過程中保持其+3價(jià)的氧化態(tài)。

文獻(xiàn)鏈接

Atomically dispersed Fe3+?sites catalyze efficient CO2 electroreduction to CO

(?Science，2019，DOI: 10.1126/science.aaw7515)