納米片共價鍵合石墨烯實現高效CO2轉化！

電化學 CO2還原反應 (CO2RR) 是一種很有前途的技術，可以通過在增值產品中儲存清潔能源來緩解環境和能源問題。特別是，將正極的CO2RR 與鋅 (Zn) 負極的剝離相結合可以構建一種 Zn-CO2電池，能夠在發電的同時有效地將 CO2轉化為燃料。

在各種還原產物中，一氧化碳 (CO) 被認為是每摩爾電子最有利可圖的產物之一。市場價值和電價。更重要的是，CO 是費-托合成的重要原料，可以生產有價值的長鏈碳氫化合物和醇。然而，CO2是一種具有高鍵能的線性分子，導致 CO2活化的高能壘和緩慢的動力學以及水溶液中的競爭性析氫反應 (HER)。因此，非常需要開發高活性和選擇性的催化劑來生產 CO。

來自南開大學的學者利用親核取代反應合成碳納米片，其 Fe-N4O 構型通過共價鍵固定在石墨烯基底 (Fe-N4O-C/Gr)上。密度泛函理論計算表明，與通常的平面單原子 Fe 相比，Fe-N4O與一個氧 (O) 原子在軸向的獨特構型不僅抑制了競爭性析氫反應，而且促進了 *CO 中間體的解吸。

Fe-N4O-C/ Gr 在將CO2電還原為一氧化碳 (CO) 方面表現出色，與可逆氫電極 (RHE) 相比，在 -0.7 V 時法拉第效率高達 98.3%，轉換頻率高達 3511 h?1.此外，作為水系鋅 (Zn)-CO2電池中的正極催化劑，Fe-N4O-C/Gr在 3 mA cm?2的放電電流密度下實現了高 CO 法拉第效率（≈91%），并且長時間74 小時內的長期穩定性。這項工作開辟了一條新途徑，可以同時調節單原子催化劑的幾何和電子結構以實現高效的 CO2轉化。

圖 1. a) Fe-N4O-C/Gr電催化劑合成過程示意圖。b) GO、PAF 和 Fe@PAF-GO 的 XRD 圖。c) GO、PAF-GO 和 Fe@PAF-GO 的 FTIR 光譜。d) Fe@PAF-GO 和 e) Fe-N4O-C/Gr 的 SEM 圖像。f) TEM 和 g) FeN4OC/Gr 的高分辨率 TEM 圖像。(g) 的插圖是相應的SAED 圖案。

圖 2. a) Fe-N4O-C/Gr的像差校正 HAADF-STEM 圖像。b) 對應于 (a) 中標記亮點（紅色圓圈）的 EELS 光譜。c) 不同樣本的 EXAFS 光譜的k3加權 χ(k) 函數。d) Fe-N4O-C/Gr的 EXAFS 配件。(d) 的插圖是優化的原子結構模型。e) 不同樣品的 Fe K 邊XANES 光譜。f) Fe-N4O-C/Gr、Fe-N4-C和Fe-N3O-Gr中Fe的平均氧化態基于FeO、Fe3O4和Fe2O3參考。

圖 3. a) LSV 曲線，b) FECO 和 c) 不同催化劑在不同電位下的 TOF。d) Fe-N4O-C/Gr、Fe-N4-C和Fe-N3O-Gr的塔菲爾圖。e) Fe-N4O-C/Gr 在-0.7 V 相對于 RHE 的穩定性測試。

圖 4. a) 反應路徑和 b) CO2RR 在不同催化位點上生成 CO 的自由能圖。c) Fe-N4O-C/ Gr、Fe-N4-C和Fe-N3O-Gr中Fe位點的PDOS。d) 水解離的自由能圖和e) Fe-N4O-C/Gr、Fe-N4-C 和 Fe-N3O-Gr 中 Fe 位置的 UL(CO2) – UL(H2) 值。f) Fe-N4O-C/Gr、g) Fe-N3O-Gr 和 h) Fe-N4-C 在 CO2飽和的 0.5 M KHCO3中不同施加電位下的原位 ATR-FTIR光譜。

圖 5. a) 基于 Fe-N4O-C/Gr 催化劑的組裝 Zn-CO2電池示意圖。b) 充放電曲線，c) Zn-CO2電池的極化和功率密度圖。d) 用三個串聯的 Zn-CO2電池點亮的 LED 的數碼照片。e) 恒電流放電-充電曲線，f) Zn-CO2電池在不同電流密度下的倍率性能和相應的 FECO。

不團結利用親核取代反應通過共價鍵將 Fe-N4O-C 納米片錨定在石墨烯基底上。這種獨特的架構可實現豐富的活性位點暴露和快速電子轉移。此外，DFT 計算表明，在軸向上添加一個 O 原子可以調節 Fe 中心的電子結構，從而賦予單原子 Fe-N4O 位點在平衡 *COOH 形成和 *CO 解吸方面的優異能力。

因此，Fe-N4O-C/Gr 電催化劑對 CO 形成具有高選擇性，法拉第效率為 98.3%，TOF 值為 3511 h?1，遠高于 Fe-N3O-Gr 和 Fe-N4-C位點無軸向原子。此外，基于 Fe-N4O-C/Gr 催化劑的水系 Zn-CO2電池表現出優異的電化學性能，在 3 mA cm?2的高放電電流密度下具有 90.1% 的高 CO 法拉第效率和長期運行穩定性.這項工作展示了一種調節單原子催化劑配位微環境的新策略，有望在 CO2電還原和可充電 Zn-CO2電池中得到應用。





審核編輯：劉清