南开大学化学学院李伟教授NC：Fe-N-C催化剂的精妙设计以实现高能量效率电化学CO2还原

第一作者：王彩

通讯作者：李伟

单位：南开大学化学学院

电化学CO₂还原（ECR）作为一种可持续且充满前景的技术，在CO₂转化和碳中和的经济循环中吸引了广泛关注。其中CO是最有价值的ECR产品之一，因此许多科研工作者致力开发通过ECR反应制CO的电催化剂，尽管关于活性和选择性的相关参数已经达到工业级水平，但能量效率较低的挑战依然存在。因此，挖掘和研发可实现高能量效率的ECR电催化剂意义重大，其核心挑战是在提高产物选择性的同时降低过电位。目前，贵金属Au和Ag电催化剂，在低电位下生产CO显示了优异的性能。然而，其相对稀缺性和高成本促使研究人员将焦点放在非贵金属催化剂的探索上。近年来，低成本的过渡金属和氮共掺杂碳（M-N-C）催化剂在ECR制CO领域表现显著，其中Fe-N-C在低过电位下高选择性生产CO展示了巨大的潜力。尽管取得了一些突破，但对于Fe-N-C催化剂来说，在提升CO选择性和降低过电位方面仍有很大的进步空间。

近日，来自南开大学化学学院的李伟教授课题组在国际知名期刊Nature communications上发表题为“Combining Fe nanoparticles and pyrrole-type Fe-N4 sites on less-oxygenated carbon supports for electrochemical CO₂ reduction”的观点文章。作者通过构建吡咯型Fe-N4位点，引入Fe纳米粒子以及减少碳载体上的含氧物种精妙设计得到了高能效Fe-N-C催化剂，该催化剂在100小时的稳定性测试中可保持将近100%的CO选择性和超过90%的阴极能量效率。

将商用炭黑与具有吡咯N配位Fe的四苯基卟啉铁充分均匀混合，然后在5%H₂/Ar的气氛中经过700℃热解得到具有吡咯型Fe-N₄位点、Fe纳米粒子以及碳载体表面含氧物种较少的Fe-poN-C/Fe催化剂。通过改变前驱体的类型和热解条件，也合成了负载在含氧物种较多碳载体上的具有吡咯型Fe-N₄位点和吡啶型Fe-N₄位点的两种催化剂，Fe-poN-C(O)和Fe-pdN-C(O)。XRD、球差校正HAADF-STEM以及XAS等表征技术证实了三种催化剂的成功合成。

在H型电池中，Fe-poN-C/Fe催化剂在0.24 V的低过电位下可提供99.7%的高CO法拉第效率，在流动电池中，其在21mV的超低过电位时可实现97.1%的高阴极能量效率，优于Fe-pdN-C、Fe-poN-C和几乎所有的ECR催化剂。此外，超过100小时的长期测试表明，在电流密度超过40 mA∙cm⁻²的情况下，Fe-poN-C/Fe催化剂可以稳定保持>90%的高能量效率和近100%的CO选择性。

原位拉曼测量和KIE研究表明，Fe纳米粒子通过加速质子转移促进了CO₂生成*COOH关键中间体，从而降低了过电位，DFT计算也证实了这一观点。此外，根据各种对比实验和详细的DFT计算，发现在碳载体上构建吡咯型Fe-N₄位点和限制表面氧物种可以很好地抑制析氢反应，导致CO选择性的提高。通过过电位的降低和选择性的提升实现了高能效ECR反应制CO。

Combining Fe nanoparticles and pyrrole-type Fe-N₄ sites on less-oxygenated carbon supports for electrochemical CO₂ reduction

李伟 教授 简介：南开大学化学学院教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才基金获得者，天津市“131”创新型人才培养工程第一层次人选。长期从事与化工清洁生产密切相关的新型催化剂的研制与开发研究。已在国内、外重要学术刊物上发表学术论文超150篇，申请中国发明专利超130项及美国发明专利3项，先后有十几项科研成果得到工业应用，作为第一完成人获得多项省部级奖励，并连续两年获得由天津市政府颁发的天津市产学研联合突出贡献奖。其中课题组重点项目“合成氯乙烯金基无汞催化剂的研发与工业应用”获得了2020年度天津市技术发明一等奖。

课题组围绕新型清洁能源和绿色反应工艺技术，聚焦能源和环境相关的纳米材料和催化应用基础研究，实现了多项重要反应在绿色工艺条件下的工业放大生产。在取得巨大经济效益的同时实现了低碳减排，为碳中和及环境治理作出了贡献。其中一些成果直接面向国民经济，有多项成果完成了工业规模的放大生产。以“纳米催化剂设计及在重要化学反应中的应用”项目为主的多项重要研究成果成功实现工业规模的放大生产。在取得巨大的经济效益的同时，克服了工业应用中现有生产工艺周期长、污染重等问题，为企业经济可持续发展和环境治理做出了较大贡献。

投稿请联系contact@scimaterials.cn