EES：Fe-N-C单原子催化剂上的析氧反应促进甲烷转化

随着页岩气和天然气的开发，甲烷成为一种丰富的资源，对甲烷的高效利用或转化为具有高附加值的化学品提出了很高的要求。甲烷转化为乙醇受到高度青睐，因为乙醇具有运输效率，还可以直接作为合成塑料或各种碳氢化合物的燃料或原料。

尽管基于蒸汽重整产生的合成气的间接甲烷转化为甲醇在商业上是可行的，但该工艺的多步骤和高能耗影响了该工艺的经济可行性。因此，人们高度追求将甲烷直接转化为乙醇。基于此，韩国西江大学Jun Hyuk Moon等人利用Fe-N-C单原子催化剂(SACs)在析氧反应(OER)辅助甲烷氧化中实现了较高的法拉第效率和乙醇转化率。

本文测试了Fe-N-C催化剂在有和没有甲烷的电解液中的极化曲线。测试后发现，在没有饱和甲烷的电解液中，在2.0 V_RHE的电势下，Fe-N-C催化剂电极上观察到大量O₂的生成，同时在Pt对电极上观察到H₂的生成。相反，在饱和甲烷电解质中，在1.2-1.6V_RHE时，催化剂的氧化电流更高，这是由甲烷氧化引起的，而不是OER。

之后，本文在1.2-2.0 V_RHE的电势范围内，测试了Fe-N-C SACs的乙醇生产速率。当电位为1.6 V_RHE时，催化剂的乙醇生成速率达到4668.3 μmol/g_cat/hr。生成速率的增加归因于O^*的更快形成和在较高电位下电化学转换途径能量稳定。值得注意的是，在1.6 V_RHE时，催化剂的法拉第效率(FE)高达68%，这一FE值显著高于之前的结果。这种高FE导致高转化率，超过了之前的电化学甲烷转化结果。

之后，本文根据密度泛函理论(DFT)计算进一步理解了催化剂的催化机理。计算结果表明，OOH^*中间体的形成是电势决定步骤，因此存在保持O^*稳定的可能电位。此外，微动力学分析使用计算的吉布斯能提出了一个电极电位，允许主导O^*覆盖。当阳极电位大于1.6 V_RHE时，电化学甲烷转化表现出乙醇产生速率的降低，相应的电极电位与在Fe-N-C催化剂上驱动OER的电位相匹配，这证实了甲烷转化在较高的电位下与OER发生竞争。

此外，本文还提出了一种电化学流动池，它利用气体扩散层电极提高了甲烷水介质中的低传质，在50 sccm的甲烷流速下，乙醇的产率能达到11480.6 μmol/g_cat/hr，并且至少稳定运行100小时。总之，本文的研究策略不仅制备出了能将甲烷高效转化为乙醇的催化剂，还为未来的甲烷转化研究提供了指导。

Boosting Electrochemical Methane Conversion by Oxygen Evolution Reactions on Fe-N-C Single Atom Catalysts, Energy & Environmental Science, 2023, DOI: 10.1039/d3ee00027c.

https://doi.org/10.1039/D3EE00027C.

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