電化學(xué)二氧化碳減排的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)是提高能源效率，這需要降低過(guò)電勢(shì)，同時(shí)提高產(chǎn)品法拉第效率。在這里，我們?cè)O(shè)計(jì)合成了一種由 Fe 納米粒子、吡咯型 Fe-N
4 位點(diǎn)和低氧碳載體組成的混合電催化劑，該催化劑在 21 mV 的超低過(guò)電勢(shì)下表現(xiàn)出超過(guò) 99% 的顯著 CO 法拉第效率，達(dá)到最高的陰極能量迄今為止，效率高達(dá) 97.1%。該催化劑還可以提供接近 100% 的 CO 選擇性，并具有至少 100 小時(shí)的高陰極能量效率 (>90%)。對(duì)照實(shí)驗(yàn)、原位表征和理論計(jì)算的綜合結(jié)果表明，引入Fe納米粒子可以通過(guò)加速質(zhì)子從CO
2到*COOH的轉(zhuǎn)移并降低*COOH形成的自由能、構(gòu)建吡咯型FeN
4位點(diǎn)和限制來(lái)降低過(guò)電勢(shì)。碳載體上的氧物種可以通過(guò)抑制氫氣的析出來(lái)提高CO法拉第效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的電化學(xué)CO
2還原為CO。
Fig 1. 催化劑的制備和表征。 a Fe-pdN-C(O)、Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的合成示意圖。 b FepdN-C(O)、Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的 XRD 圖譜。 (c) 大視場(chǎng)視圖，(d) HAADF-TEM 放大視圖，(e, f) 像差校正 HAADF-STEM，(g) Fe-poN-C/Fe 的 EDS 圖。
Fig 2. X射線吸收光譜和X射線光電子能譜分析。 Fe-pdN-C(O)、FepoN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 與參考樣品的 Fe K 邊緣的 (a) XANES 和 (b) FT-EXAFS 光譜。 (c) Fe 箔、FeTpp、Fe-pdN-C(O)、Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的 WT-EXAFS 等值線圖。 (d) Fe-poN-C/Fe 的 FT-EXAFS 擬合曲線。 Fe-pdNC(O)、Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的 (e) N 1 s 譜和 (f) O 原子含量。
Fig 3. H 電池中的電化學(xué) CO
2 還原性能。 a FepdN-C(O)、Fe-poN-C(O)和Fe-poN-C/Fe的LSV曲線。 b FECO 在 FepdN-C(O)、Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的不同施加電位下。 c Fe-poN-C/Fe 的 ECR 性能與典型電催化劑的比較。 d jCO 在不同施加電位下的分布以及 (e) Fe-pdN-C(O)、Fe-poNC(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的雙層電容。 H-cell 中的所有測(cè)量均在 CO
2 飽和的 0.5 M KHCO
3 溶液（pH 7.3，電阻為 7.35 Ω）中進(jìn)行，催化劑負(fù)載量為 0.5 mg·cm
−2 。 (b) 和 (d) 中的誤差線代表三個(gè)獨(dú)立測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
Fig 4. 流通池中的電化學(xué) CO
2 還原性能。 a Fe-pdN-C(O)、Fe-poN-C(O)和Fe-poN-C/Fe的LSV曲線。 b FECO 和 FepoN-C/Fe 在不同電位下的相應(yīng) j。 Fe-poN-C/Fe 的 (c) FECO 和 (d) CEE 與大多數(shù)最先進(jìn)的催化劑相比。 e Fe-poNC/Fe在-0.3 V外加電位下的穩(wěn)定性測(cè)試。流通池中的所有測(cè)量均在1 M KOH溶液（pH 13.7，電阻為1.68 Ω）中進(jìn)行，催化劑負(fù)載量為1 mg·cm
−2 。 (b) 中的誤差線代表三個(gè)獨(dú)立測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
Fig 5. 使用原位拉曼、KIE 測(cè)量和 DFT 計(jì)算進(jìn)行機(jī)理研究。 (a) Fe-poN-C(O) 和 (b) Fe-poN-C/Fe 的原位拉曼光譜。(c) Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的 KIE 值和 CO 產(chǎn)率。 d Fe-pdN
4、Fe-poN
4 和 Fe-poN
4/Fe13 的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。 e -0.3 V 時(shí) ECR 的自由能圖。 (f) Fe-pdN
4、(g) Fe-poN
4 和 (h) Fe-poN
4/ Fe13 上吸附 *COOH 時(shí)的電荷分布差異。 i 形成 *COOH (G*COOH) 或 *H (G*H) 的自由能，以及 G*COOH 和 G*H 之間的差值。 (j) 不含和含不同含氧基團(tuán)的優(yōu)化石墨烯結(jié)構(gòu)。 k 不帶和帶不同含氧基團(tuán)的石墨烯結(jié)構(gòu)上的 HER 自由能圖。
相關(guān)研究工作由南開大學(xué)Wei Li 課題組于2023年在線發(fā)表在《Nat Commun》期刊上，原文：Combining Fe nanoparticles and pyrrole-type Fe-N4 sites on less-oxygenated carbon supports for electrochemical CO2 reduction。
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40667-2
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
