湖南大学Adv Mater：单原子催化剂的面内本征缺陷到底是如何调节CO2RR？- 大数跨境

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湖南大学Adv Mater：单原子催化剂的面内本征缺陷到底是如何调节CO2RR？

科学材料站

2020-12-17

导读：在本文中研究者们精心设计了一种嵌入单原子Fe–N4位的富碳石墨烯多孔通过与单原子Fe-N4位点的耦合（DNG-SAFe），可以显著提高其本征碳缺陷的活性。

文章信息

Fe–N4单位点碳平面中的本征缺陷用于驱动CO2电还原

第一作者：Wenpeng Ni

通讯作者：王双印张世国

单位：湖南大学

研究背景

CO2的电化学还原反应(CO2RR)是通过可再生能源获得增值产品和实现碳中和能源循环的有利策略。CO2RR与Zn溶解/沉积反应相结合，可用于Zn-CO2电池，可同时实现CO2转化和能源输出。为了开发高效、高选择性的催化剂，从稳定的C=O键（806 kJ mol−1）和相应的析氢反应（HER）中制备出CO2，人们进行了大量的研究。在过去的几十年里，各种贵金属催化剂，如Au、Ag和Pd等，都表现出通过CO2RR生成CO的巨大潜力。

此外，Ir/Au和3D Pd纳米片在Zn-CO2电池中具有超高效的性能。然而，这些电催化剂是昂贵的，往往需要高过电位产生所需的产品。此外，Zn-CO2电池中CO2RR的法拉第效率(FE)，特别是CO2-CO转换的法拉第效率(FE)，在相对较高的放电电流(如5 mA cm-2)下通常低于50%。目前，通过控制金属-氮-碳催化剂的面内缺陷来调节CO2电还原反应（CO2RR）仍然充满挑战性。

文章简介

近日，湖南大学王双印教授和张世国教授在国际顶级期刊Advanced Materials (影响因子：27.398) 上发表题为“Electroreduction of Carbon Dioxide Driven by the Intrinsic Defects in the Carbon Plane of a Single Fe–N4 Site”的研究工作。

在本文中研究者们精心设计了一种嵌入单原子Fe–N4位的富碳石墨烯多孔通过与单原子Fe-N4位点的耦合（DNG-SAFe），可以显著提高其本征碳缺陷的活性。这项工作并没有改变金属中心的配位结构，而是强调了设计面内缺陷结构对于获得高效的CO2RR碳基单原子催化剂的重要性。

本文要点

要点一：为了获得DNG-SAFe，同时具有丰富的本征缺陷和单原子Fe-N4位点，研究人员选择含铁富碳的g-C3N4（C-g-C3N4-Fe）作为前驱体用于直接碳化。首先，层状g-C3N4作为牺牲自模板，而C-g-C3N4-Fe中的附加碳原子作为碳源在热解过程中形成类石墨烯结构。其次，特殊的g- C3N4结构可在高温热解过程中与金属原子结合形成均匀的Fe–Nx部分，从而防止金属原子聚集。第三，C-g-C3N4-Fe的高氮含量也使得通过高温诱导的氮耗散产生大量的固有缺陷成为可能。在800℃和900℃下，C-g-C3N4-Fe直接热解得到NG-SAFe和DNG-SAFe。

要点二：实验结果显示，所得到的DNG-SAFe催化剂在0.1 M KHCO3中的最大CO法拉第效率为90%，CO部分电流密度达到了33 mA cm−2。在浓电解液中保持了显著的优异活性，使可充电的Zn-CO2电池在5 mA cm−2电流密下，具有86.5%的高CO选择性。

要点三：进一步的分析表明，CO2RR的活性位点是本征缺陷，而非Fe-N4位点。密度泛函理论（DFT）计算表明，Fe-N4耦合的本征缺陷降低了CO2RR的能垒，抑制了析氢（HER）活性。高的本征活性，再加上快速的电子转移能力和大量暴露的活性中心，使得DNG-SAFe催化剂其具有优异的电催化性能。

文章链接

Electroreduction of Carbon Dioxide Driven by the Intrinsic Defects in the Carbon Plane of a Single Fe–N4 Site

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003238

通讯作者介绍

王双印湖南大学教授、博士生导师

国家杰出青年基金获得者, 科睿唯安高被引科学家（化学）, 爱思唯尔中国高被引学者（化学）。现为湖南大学二级教授，博士生导师。2006年本科毕业于浙江大学化工系，2010年在新加坡南洋理工大学获得博士学位，随后在美国凯斯西储大学，德克萨斯大学奥斯汀分校、英国曼彻斯特大学（玛丽居里学者）开展研究工作。主要研究方向为电催化剂缺陷化学、有机分子电催化转化、高温质子交换膜燃料电池及负载型催化剂批量制备。目前，已在国际著名期刊Chem, Nature Commun., JACS, Angew. Chem，Adv. Mater.等发表SCI论文100余篇，总引用14000余次，H-index为63。

张世国湖南大学材料科学与工程学院教授、博导

2011年博士毕业于中国科学院兰州化学物理研究所（硕博连读），2012-2016年在日本横浜国立大学从事博士后研究，2017年入选国家海外高层次青年人才，2018年获得湖南省杰出青年基金支持。

主要研究方向为面向清洁能源的功能离子液体和碳材料，具体包括离子凝胶、聚离子液体、离子液体电解液、多孔离子材料与先进碳材料及其在能源存储与转化（电催化、锂硫电池）等领域的应用基础研究。截至目前，已经在Nature Rev. Mater., Chem. Rev., Prog. Mater. Sci., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Energy Mater., Mater. Horiz., Nano Energy, Appl. Catal. B, Chem. Sci., Chem. Mater., Small, J. Mater. Chem. A等国际期刊上发表SCI论文80多篇，多篇被选为期刊封面、热点论文或“ESI高被引论文”。

获得中国授权发明专利2件、日本/PCT专利1件（已转让给日本日清纺公司），获离子液体与绿色过程“青年创新奖”（2017，每3年评一次，每次不超过5名）、甘肃省技术发明三等奖（2013）和中国科学院“朱李月华”优秀博士生奖（2010）。先后主持国家海外高层次青年人才计划项目、国家自然科学基金面上项目（2项）和青年基金、湖南省杰出青年基金、湖南省重点研发计划、湖南省创新平台人才计划等多项省部级项目。2018年指导的博士后一人入选国家“博士后创新人才支持计划”。多次在MRS（美国旧金山）、Gordon（美国缅因）、APCIL-4（澳大利亚悉尼）、ECEE 2014（中国上海）、COIL-6（韩国济州）、ACEPS-8（中国昆明）、56th Battery Symposium in Japan（日本名古屋）等国内外重要学术会议上做口头报告。作为七个青年科学家之一，在韩国济州召开的第六届国际离子液体大会上做特邀报告。作为五个被邀请人之一，在第四届全国离子液体与绿色过程学术会议的青年科学家论坛上做大会报告。