南洋理工Adv Sci：孤立的FeN4位点用于高效的电催化CO2RR- 大数跨境

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南洋理工Adv Sci：孤立的FeN4位点用于高效的电催化CO2RR

科学材料站

2020-07-20

导读：本文通过简单的吸附方法合理制备了Fe-掺杂的石墨氮化碳，并以其为模板，通过密闭热解策略构建了孤立的FeN4位点，避免了合成过程中金属原子的团聚，为二氧化碳还原反应提供了丰富的活性位点。

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导读

孤立金属位点的构建是一种很有前途的电催化剂设计方法，其可以实现二氧化碳（CO2）的高效电化学转化。

近日，南洋理工大学的Wang Xin教授在国际知名期刊Advanced Science 上发表题为”Isolated FeN4 Sites for Efficient Electrocatalytic CO2 Reduction“的文章，Xiaogang Li为本文的第一作者。

图1. 图片概要

背景简介

1. CO2RR的意义

由于化石燃料的过度消耗，二氧化碳在大气中的积累引起了潜在的环境问题。通过电催化将二氧化碳转化为增值燃料为减少二氧化碳含量提供了一种很有希望的方法。许多人致力于开发高效的电催化剂来减少CO2。

然而，还原产物的低选择性仍然是限制CO2转化技术进一步发展的关键障碍。均相催化剂由于其均匀分布、活性位点明确，可以具有优异的选择性，但其稳定性差、分离困难等问题阻碍了其向工业应用的进一步发展。相反，非均相催化剂可以提供稳定的催化性能，但活性位点的多样性限制了其选择性。因此，结合非均相催化剂和均相催化剂的优点，开发出高效转化CO2的催化剂是当务之急。

2. 单原子催化剂

单原子催化剂在弥补非均相催化剂和均相催化剂之间的差距方面具有很大的潜力。除了具有最大的原子效率外，单原子催化剂还能提供孤立的的、明确的活性位点，这种活性位点被限制在无机固体材料的载体上，可以为催化反应提供高选择性和稳定性。受益于其独特的结构,单原子催化剂的催化活性与均相催化剂相当,同时由于异质化因而具有高回收性和稳定性。

3. 研究现状

在单原子催化剂中，碳基衬底中与氮配位的孤立金属原子(MNx)表现出了优异的电催化性能，为电催化还原CO2提供了一条很有前途的途径。然而，由于单体活性位点在合成过程中容易团聚成颗粒，导致催化性能损失，因此MNx位点的构建仍然是一个挑战。

通过密闭热解策略成功构建了孤立的NiN4位点，其中Ni掺杂的石墨氮化碳（g-C3N4）在密闭热解过程中作为模板和氮源。通过热解g-C3N4的前驱体和金属盐来合成金属掺杂的g-C3N4的过程是不可控的，因此，设计更为简单和通用的金属掺杂g-C3N4的密闭热解策略仍然是非常理想的，但对于MNx位点的构建仍然具有挑战性。

核心内容

本文通过简单的吸附方法合理制备了Fe-掺杂的石墨氮化碳，并以其为模板，通过密闭热解策略构建了孤立的FeN4位点，避免了合成过程中金属原子的团聚，为二氧化碳还原反应提供了丰富的活性位点。
受益于独特的结构和配位环境，孤立的FeN4位点在电催化CO2转化为CO的过程中表现出较高的选择性，在-0.6V（vs. RHE）下，法拉达效率高达93%。。
通过球差校正电镜和扩展X射线吸收精细结构分析，揭示了分离构型。
理论计算表明，隔离的FeN4位点降低了COOH*形成的能量壁垒，从而提高了对CO生成的选择性。
这项研究将为合理设计具有丰富活性位点的高效单原子催化剂铺设一条新的途径。

图二.

a) Fe K‐edge XANES spectra of Fe foil, FeN4/C, and Fe NPs/C. b) FT of the Fe K‐edge EXAFS oscillations of Fe foil, FeN4/C, and Fe NPs/C. c) EXAFS fitting curve for FeN4/C. Inset is the schematic model of FeN4 structure, with Fe in orange, N in blue, and C in gray. d) N 1s XPS spectra of FeN4/C and N/C.

文章链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202001545

Isolated FeN4 Sites for Efficient Electrocatalytic CO2 Reduction

导师简介:

Wang Xin

Prof Wang Xin is currently in the School of Chemical and Biomedical Engineering. He received his Bachelor and Master degrees in Chemical Engineering from Zhejiang University, Ph.D. degree from the Hong Kong University of Science and Technology. He joined NTU in 2005. His research interests include electrochemistry, electrochemical technologies for energy conversion. He has done significant research work in his research areas and published over 200 peer-reviewed journal papers, with total citation over 21000 and H-index of 75. He is a Fellow of the Royal Society of Chemistry(FRSC) and Clarivate Analytics Highly Cited Researcher 2018 (Cross-field), 2019 (Materials Science).

Research Interests

Prof Wang Xin's areas of expertise are electrochemistry and electrocatalysis. His current research works focus on fuel cell, energy storage and electrochemical reactor with co-generation of electricity and valuable chemicals.

信息来源：

http://research.ntu.edu.sg/expertise/academicprofile/pages/StaffProfile.aspx?ST_EMAILID=wangxin