包含氮和碳(MNC)配位構(gòu)型的過渡金屬單原子催化劑(SAC)具有優(yōu)異的電化學(xué)CO2還原(CO2RR)性能，然而，CO2RR過程中低的產(chǎn)物FE、競(jìng)爭(zhēng)性析氫反應(yīng)(HER)和CO2傳質(zhì)效應(yīng)等問題阻礙了CO2還原技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
基于此，臺(tái)灣科技大學(xué)黃炳照、蘇威年和蔡孟哲等通過離子交換法在Nafion涂層功能化多壁碳納米管(Fe-nf-CNTs)和Nafion涂層多壁碳納米管(Fe-n-CNTs)上捕獲Fe SAC，并首次證明了Fe SAC以Fe-(O)3氧配位構(gòu)型存在。
Fe SACs合成過程是在常溫常壓條件下進(jìn)行的。TEM、STEM和XAFS表明，Nafion均勻地涂覆在功能化的多壁CNT (f-CNT)上，并且Fe原子以Fe-(O)3氧配位構(gòu)型存在；XANES分析表明，F(xiàn)e SAC的價(jià)態(tài)高于+2。性能測(cè)試結(jié)果顯示，F(xiàn)e-nf-CNTs上乙醇的FE為45%，起始電位低至-0.45 VRHE以及乙醇的產(chǎn)率為56.42 μmol cm-2 h-1，這明顯優(yōu)于那些無金屬催化劑nf-CNTs和f-CNTs (8 μmol cm-2 h-1)。
以上結(jié)果表明已建立的Fe SACs活性位點(diǎn)與功能化的CNTs相結(jié)合，起到雙活性位點(diǎn)協(xié)同的作用，顯著提高了CO2多碳產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。此外，原位XAS分析表明，F(xiàn)e SACs具有可調(diào)節(jié)的電子狀態(tài)(取決于CO2RR期間施加的電位)，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移到吸附中間體，通過C-C偶聯(lián)反應(yīng)延伸到多碳產(chǎn)物的形成。由于Fe SA被Fe-nf-CNT的羧基官能團(tuán)穩(wěn)定，F(xiàn)e SAC 表現(xiàn)出長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作為提高CO2RR為多碳產(chǎn)品的性能提供了新見解。
Highly Active Oxygen Coordinated Configuration of Fe Single-Atom Catalyst toward Electrochemical Reduction of CO2 into Multi-Carbon Products. Advanced Functional Materials, 2022. DOI: 10.1002/adfm.202109310
