气体扩散策略构建原子级铁锚定石墨化碳载体高效CO2电还原

近年来，单原子催化剂在各种催化反应中得到了广泛研究，包括CO氧化、CO2还原、水裂解，甚至有机合成反应。与纳米级的金属颗粒相比，单原子催化剂在各种反应中均表现出的优异催化性能，其主要归因于它们特殊的电子结构和几何结构。然而，由于这类催化剂高的表面能，合成具有原子尺度上稳定且反应活性强的金属位点仍然是一个巨大的挑战。目前，为了在碳基材料或金属化合物上实现原子分散的金属位点，不少催化剂合成策略被陆续 道，其中主要包括：1）利用溶剂分散效果的溶剂策略；2）设计负载位点来锚定金属原子的载体修饰策略；3）基于金属有机框架的孤立金属节点的有机分子策略；4）利用外部能量迫使掺杂金属分散为孤立原子的外加能量策略。其中，溶剂策略（包括浸渍法、离子交换法、光化学冰冻法、前驱体稀释法、冻干法等）是最常用于合成各类金属单原子催化剂，但此策略不可避免地导致溶剂浪费高、收益低等问题。同时，无论是载体修饰策略还是有机分子策略，都往往面临着冗长的载体修饰（如缺陷工程）或复杂的有机合成（如卟啉三嗪衍生骨架、二维共轭金属有机骨架等）。此外，外加能量策略（包括原子层沉积、电流替代、微波、高温迁移、高温冲击波等）往往是能源密集型的合成策略，涉及昂贵的操作设备或极端操作条件。基于上述原因，开发一种简易高效的单原子催化剂合成策略，并将其应用于电催化CO2还原体系中，对于促进电催化CO2还原的发展具有重要的现实意义。

有鉴于此，浙江大学化工学院杨彬副教授，侯阳研究员，澳大利亚新南威尔士大学戴黎明教授 道了一种通用的气体扩散策略合成单原子金属锚定多孔碳载体催化剂，该方法将可扩散二茂铁配体蒸汽与ZIF-8前驱体同时碳化处理，转化为Fe1NC/SX-Y(其中X代表粒径，Y代表热解温度)。由于高催化活性的孤立Fe-N3位点和石墨化氮的存在，粒尺寸径为100 nm的多面体Fe1NC/S1-1000电催化剂展出优异的电催化CO2还原制备CO性能。该催化剂的法拉第电流效率在?0.5 V超过96%，TOF到达2225 h?1，优于之前 道的基于非贵金属碳基单原子催化剂。进一步研究发现，不同类型氮的分布线性依赖于热处理的温度，而催化剂的电化学表面积和粒径呈现火山型关系，此发现可用于指导优化催化剂粒径的电催化性能。结合结构表征和理论计算表明，原子级分散的Fe-N3位点降低了*COOH生成和随后*CO-to-CO步骤的能垒，从而促进了CO2还原反应。实验证明，所制备的Fe1NC/S1-1000是Zn-CO2电池的高效阴极催化剂，功率密度高达526 mW cm?2，开路电位为0.727 V。