胡喜乐＆陈浩铭Science：原子级分散的Fe3+位点促进CO2转化为CO

目前，常用于将CO2转化为CO的电催化剂主要是贵金属，如金基纳米材料等，而非贵金属催化剂的活性并不出色。已经有许多单原子催化剂的研究报道，其中包括高度分散在固体载体上的单原子催化剂。这些催化剂虽然组成与纳米颗粒或分子复合物相同，却表现出不同的性质和活性。

近日，洛桑联邦理工学院的胡喜乐教授和台湾大学的陈浩铭教授在Science期刊发表了电催化CO2还原的最新成果。文章题目为“Atomically dispersed Fe3+ sites catalyze efficient CO2 electroreduction to CO”。该成果报道了一种原子级分散的铁位点CO2电催化剂（Fe3+–N–C），该催化剂产生的CO的过电位低至80 mV，在340 mV过电位下，电流密度达94 mA cm-2。

图1 Fe3+–N–C催化剂表征

研究人员通过在N2下900℃热解Fe掺杂的锌（Zn）2-甲基咪唑酯骨架（ZIF-8））来制备Fe催化剂（Fe3+ -N-C）。X射线吸收近边结构（XANES）光谱（图1F）显示结合和边缘能量接近于Fe2O3和Fe3+ -四苯基卟啉-Cl（Fe3 + TPPCl），表明Fe离子在合成的该催化剂中处于+3价氧化态。

图2 Fe3+–N–C催化剂的CO2电催化还原性能

研究人员进一步通过电化学测试，CO的法拉第效率在-0.2和-0.5 V之间高于80％（图2A）， jCO在-0.47 V时达到20 mA cm-2（图2B）。该电催化性能高于其余非贵金属电催化剂（图2C），并且表现出优异的耐受稳定性（图2D）。

动力学数据表明，对于Fe3+-N-C催化剂，CO2的1电子还原也从质子转移分离。此外，CO2吸附很快，限速步骤是吸附的CO2质子化以形成吸附的COOH中间体。这些结果表明Fe3+位点比传统Fe2+位点具有更快的CO2吸附速度和更弱的CO吸附能力，因此Fe3+-N-C比Fe2+-N-C在反应中具有更低的过电位。

图3 原位XAS表征图谱

研究人员采用原位 X射线吸收光谱证实在催化过程中具有催化作用的活性位点是单分散的Fe3+离子， Fe3+与氮掺杂的碳载体中的吡咯氮（N）原子通过电子耦合作用配位，从而在电催化过程中保持其+3价的氧化态。

文献链接

Atomically dispersed Fe3+ sites catalyze efficient CO2 electroreduction to CO

( Science，2019，DOI: 10.1126/science.aaw7515)