2020 年度新知答主
材料科学与工程，材料类综合、全面、专业的平台。
材料类综合、全面、专业的平台，主要发布材料相关知识信息，包括前沿资讯、基础知识、科研产业、考研求职等。网址：www.cailiaokexue.com。
2774篇原创文章。
微信公众号
，，
电化学CO2还原反应(CO2RR)是一种极具潜力的技术，它可以通过在增值产品中储存清洁能源来缓解环境和能源问题。特别是，将正极的CO2RR与锌(Zn)负极剥离相结合可以构建Zn-CO2电池，它能够在发电的同时有效地将CO2转化为燃料。在各种还原产物中，一氧化碳(CO)被认为是每摩尔电子最有利可图的产物之一，其市场价值和电价都非常高。更重要的是，CO是费-托合成的重要原料，可以生产有价值的长链碳氢化合物和醇。然而，CO2是一种具有高键能的线性分子，这导致了CO2活化的高能垒和缓慢的动力学，以及水溶液中的竞争性析氢反应(HER)。因此，需要开发高活性和选择性的催化剂来生产CO。
来自南开大学的学者们通过亲核取代反应合成了一种碳纳米片，其Fe-N4O构型通过共价键固定在石墨烯基底(Fe-N4O-C/Gr)上。根据密度泛函理论计算结果显示，与通常的平面单原子Fe相比，Fe-N4O与一个氧原子(O)在轴向的独特构型不仅抑制了竞争性析氢反应，而且促进了*CO中间体的解吸。Fe-N4O-C/Gr在将CO2电还原为一氧化碳(CO)方面表现出优异的性能，与可逆氢电极(RHE)相比，在-0.7V时法拉第效率高达98.3%，转换频率高达3511h611。此外，作为水系锌(Zn)-CO2电池中的正极催化剂，Fe-N4O-C/Gr在3mAcm612的放电电流密度下实现了高CO法拉第效率(≈91%)，并且经过74小时的长期稳定性测试后，其性能仍保持优异。这一成果为同时调节单原子催化剂的几何和电子结构以实现高效CO2转化开辟了一条新途径。相关文章以“Fe-N4O-CNanoplatesCovalentlyBondingonGraphene forEfficientCO2ElectroreductionandZn-CO2Batteries”为题发表在AdvancedFunctionalMaterials。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202300801。
https://doi.org/10.1002/adfm.202300801
图1.a)展示了Fe-N4O-C/Gr电催化剂的合成过程示意图。b)显示了GO、PAF和Fe@PAF-GO的XRD图谱。c)展示了GO、PAF-GO和Fe@PAF-GO的FTIR光谱。d)是Fe@PAF-GO和e)是Fe-N4O-C/Gr的SEM图像。f)是TEM图像，g)是Fe玁4O獵/Gr的高分辨率TEM图像。(g)的插图是相应的SAED图案。
图2.a)经过像差校正的Fe-N4O-C/GrHAADF-STEM图像。b)EELS光谱与(a)中标记的亮点(红色圆圈)对应。c)不同样品的EXAFS光谱中k3加权的χ(k)函数。d)经过优化的Fe-N4O-C/GrEXAFS配件。(d)的插图是原子结构模型。e)不同样品的 FeK边XANES光谱。f)不同样品中 Fe的平均氧化态，其中FeO、Fe3O4 和Fe2O3作为参考。
图3.a)LSV曲线显示了催化剂的电化学性能。b)FECO曲线和c)不同催化剂在不同电位下的TOF。d)Fe-N4O-C/Gr、Fe-N4-C 和Fe-N3O-Gr的塔菲尔图。e)Fe-N4O-C/Gr在-0.7V相对于RHE的稳定性测试。
图4.a)反应路径和b)CO2RR生成CO的自由能图。c)Fe-N4O-C/Gr、Fe-N4-C和Fe-N3O-Gr中Fe位点的PDOS。d)水解离的自由能图和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饱和的0.5MKHCO3中不同施加电位下的原位ATR-FTIR光谱。
图5.a)基于Fe-N4O-C/Gr催化剂组装的Zn-CO2电池示意图。b)充放电曲线。c)Zn-CO2电池极化及功率密度图。d)用三个串联Zn-CO2电池点亮的LED数码照片。e)恒电流放电-充电曲线。f)Zn-CO2电池在不同电流密度下的倍率性能及相应FECO。
不均匀利用亲核取代反应，通过共价键将Fe-N4O-C纳米片锚定在石墨烯基底上，形成独特的架构。这种独特的架构可以实现丰富的活性位点暴露和快速电子转移。 根据DFT计算结果显示，在轴向上添加一个O原子可以调节Fe中心的电子结构。因此，单原子Fe-N4O位点在平衡*COOH形成和*CO解吸方面表现出优异的能力。因此，Fe-N4O-C/Gr电催化剂对CO形成具有高选择性，法拉第效率为98.3%，TOF值为3511h611，远高于Fe-N3O-Gr和Fe-N4-C位点无轴向原子。 基于Fe-N4O-C/Gr催化剂的水系Zn-CO2电池表现出优异的电化学性能。在3mAcm612的超高放电电流密度下，该电池具有90.1%高CO法拉第效率和长期运行稳定性。 这项工作不仅展示了一种调节单原子催化剂配位微环境的新策略，而且有望在CO2电还原和可充电Zn-CO2电池中得到应用。
本文来自微信公众号“材料科学与工程”，欢迎转载，请通过微信公众号联系我们，谢谢。本文章禁止转载至其他网站。
欢迎在留言区留下您的观点，并点亮在看。
