目前，常用于將CO2轉化為CO的電催化劑主要是貴金屬，如金基納米材料等，而非貴金屬催化劑的活性并不出色。已經有許多單原子催化劑的研究報道，其中包括高度分散在固體載體上的單原子催化劑。這些催化劑雖然組成與納米顆粒或分子復合物相同，卻表現出不同的性質和活性。

近日，洛桑聯邦理工學院的胡喜樂教授和臺灣大學的陳浩銘教授在Science期刊發表了電催化CO2還原的最新成果。文章題目為“Atomically dispersed Fe3+?sites catalyze efficient CO2 electroreduction to CO”。該成果報道了一種原子級分散的鐵位點CO2電催化劑（Fe3+–N–C），該催化劑產生的CO的過電位低至80 mV，在340 mV過電位下，電流密度達94 mA cm-2。

圖1 Fe3+–N–C催化劑表征

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研究人員通過在N2下900℃熱解Fe摻雜的鋅（Zn）2-甲基咪唑酯骨架（ZIF-8））來制備Fe催化劑（Fe3+ -N-C）。X射線吸收近邊結構（XANES）光譜（圖1F）顯示結合和邊緣能量接近于Fe2O3和Fe3+ -四苯基卟啉-Cl（Fe3 + TPPCl），表明Fe離子在合成的該催化劑中處于+3價氧化態。

圖2 Fe3+–N–C催化劑的CO2電催化還原性能

研究人員進一步通過電化學測試，CO的法拉第效率在-0.2和-0.5 V之間高于80％（圖2A）， jCO在-0.47 V時達到20 mA cm-2（圖2B）。該電催化性能高于其余非貴金屬電催化劑（圖2C），并且表現出優異的耐受穩定性（圖2D）。

動力學數據表明，對于Fe3+-N-C催化劑，CO2的1電子還原也從質子轉移分離。此外，CO2吸附很快，限速步驟是吸附的CO2質子化以形成吸附的COOH中間體。這些結果表明Fe3+位點比傳統Fe2+位點具有更快的CO2吸附速度和更弱的CO吸附能力，因此Fe3+-N-C比Fe2+-N-C在反應中具有更低的過電位。

圖3 原位XAS表征圖譜

研究人員采用原位 X射線吸收光譜證實在催化過程中具有催化作用的活性位點是單分散的Fe3+離子， Fe3+與氮摻雜的碳載體中的吡咯氮（N）原子通過電子耦合作用配位，從而在電催化過程中保持其+3價的氧化態。

文獻鏈接

Atomically dispersed Fe3+?sites catalyze efficient CO2 electroreduction to CO

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