電化學(xué)CO2反應(yīng)(CO2RR)被認(rèn)為是減少CO2的排放或?qū)O2轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品來降低大氣中的CO2的濃度的有希望的方法。然而，CO2RR過程涉及多電子-質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，因此CO2轉(zhuǎn)化為單一產(chǎn)物的效率通常較低，選擇性較差。因此，開發(fā)和設(shè)計(jì)高活性、高CO2化學(xué)選擇性的電催化劑對CO2RR反應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
基于此，浙江大學(xué)楊彬課題組采用一步熔鹽輔助合成法和熱活化處理相結(jié)合的方法，成功制備出N摻雜碳納米片負(fù)載的Fe單原子催化劑(FeNC NSs-1000)，并用于高效催化CO2RR。電化學(xué)性能測試結(jié)果顯示，所制備的FeNC NSs-1000催化劑具有良好的CO2RR性能，在?0.5 VRHE時的CO法拉第效率(FECO)為96%；同時，由于具有較大的比表面積和高度暴露的活性位點(diǎn)，F(xiàn)eNC NSs-1000在流動池中也具有較高的CO2RR性能，在?0.66 VRHE時的CO部分電流密度(JCO)為147.9 mA cm?2，TOF大于1×105 h?1，性能優(yōu)于文獻(xiàn)報(bào)道的其他原子分散金屬催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算表明，F(xiàn)eNC NSs-1000中活性中心為四個N原子配位的中心Fe原子，其加速了*COOH中間體的形成，導(dǎo)致催化劑具有較高的CO2-CO轉(zhuǎn)化活性；同時，第二配位球中的吡咯N降低了限速步驟的能壘，提高了電子轉(zhuǎn)移速率，進(jìn)而加速了反應(yīng)動力學(xué)過程。此外，研究人員利用FeNC NSs-1000作為陰極組裝了可充電的Zn-CO2電池，其最大功率密度達(dá)到1.05 mW cm?2，并且該電池還具有優(yōu)異的可充電耐久性，其在連續(xù)測量30小時期間沒有觀測到放電電壓的顯著變化。綜上，該項(xiàng)工作開發(fā)的FeNC NSs-1000具有高效、靈活的特點(diǎn)，并且所提出的熔鹽輔助策略可用于制備多種碳載金屬單原子納米片，并用于其它電催化反應(yīng)。Molten-Salt-Assisted Synthesis of Single-Atom Iron Confined N-doped Carbon Nanosheets for Highly Efficient Industrial-Level CO2 Electroreduction and Zn-CO2 Batteries. Nano Energy, 2023. DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108568
