《单分散Fe单原子催化剂实现CO2到CO的高效还原》

• 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
• 编译者： guokm
• 发布时间：2019-08-29

利用光催化反应将温室气体CO₂转化为高附加值燃料或者电化学产品，是解决能源短缺和温室效应问题的理想方法之一。然而当前高效的CO2催化剂主要采用价格昂贵的贵金属，不利于商业化推广。开发高效的非贵金属催化剂成了克服上述问题的关键。单原子催化剂由于具有高活性、高原子利用率的特点，在催化领域具有广阔应用前景，成为了近年来研究的热点领域。

由瑞士洛桑联邦理工学院的Xile Hu教授课题组牵头的国际联合研究团队设计制备了一种新型的分散于氮掺杂的碳载体上的铁（Fe）单原子催化剂，能够在低过电位（80 mV）下实现CO₂到CO的高效转化，展现出超强的催化活性，为催化还原CO₂提供了全新的解决方案。研究人员通过化学热解方法，在氮掺杂的碳载体（N-C）上生长了一层单分散的Fe原子形成复合物。X射线精细结构测试和X射线光电子谱综合表征显示该复合物为Fe³⁺–N–C，即Fe元素是以三价氧化态Fe³⁺离子存在的；进一步的高分辨透射电镜显示，Fe³⁺离子均匀分散在整个N-C基底上，呈现单原子分散状态。接着研究人员将Fe³⁺–N–C置于0.5摩尔的碳酸氢钠电解液中进行电催化性能测试，实验结果显示Fe³⁺–N–C催化剂在80 mV低过电位下就能够将CO₂催化还原成CO，且催化转化的法拉第效率高达80%；而在340 mV高过电位下，催化电流密度能够达到94 mA/cm²，即每平方厘米催化剂每小时可以催化产生1.75毫摩尔的CO，法拉第效率高达90%，比传统已报道的Fe²+位点效率高出一个数量级。为了探究其中的潜在机理，研究人员采用原位X射线吸收光谱对催化反应过程进行了表征，结果显示在催化过程中发生作用的活性位点是单分散的Fe³⁺离子，这种Fe3+与氮掺杂的碳载体中的吡咯氮（N）原子配位，从而在电催化过程中保持其+3价氧化状态，而这种配位机制可能是通过电子耦合作用实现的。研究人员进一步通过电化学测试证明，Fe³⁺位点比传统Fe²⁺位点具有更快的CO2吸附速度和更弱的CO吸附能力，因此前者比后者具备更加优秀的CO₂催化转化性能。

该项研究设计制备了全新的负载于碳基底的单分散Fe³⁺单原子催化剂，在低过电位下实现了CO₂到CO的高效催化转化，减少了反应能量的消耗，为应对温室气体和能源问题提供了新的潜在技术方案。相关研究工作发表在《Science》。