单原子催化剂（SACs）用于二氧化碳电还原反应（CO₂ER）的非贵金属电催化剂具有广阔的应用前景。然而，要从根本上理解CO₂活化以实现高选择性的复杂动力学行为仍然极具挑战性。

近日，浙江大学侯阳，Bin Yang通过一步全固相合成法制备了掺杂Fe的ZIF-8前驱体，通过直接热解制备了一种原子分散Fe-N₄物种和Fe₃C纳米粒子（Fe₃C|Fe₁N₄）的新型Fe SACs。

文章要点

1）合成的Fe₃C|Fe₁N₄具有与4个N原子配位的Fe原子配位锚定在碎石状碳基体上和相邻的尺寸小于30 nm的Fe₃C纳米粒子的特征，在−0.5 V下表现出良好的CO₂ER活性，CO法拉第效率（FE）为94.6%。如此高的CO₂ER活性使Fe₃C|Fe₁N₄成为最近报道的性能最佳的Fe-N-C催化剂和碳负载非贵金属纳米粒子之一。

2）对照实验和原位光谱电化学研究表明，Fe₃C|Fe₁N₄催化剂中共存的Fe₃C NPs形成了关键的*COOH中间体，显著提高了Fe-N₄活性中心的J_CO。机理研究表明，Fe₃C NPs的存在与活性Fe-N₄位点紧密相连，导致孤立的Fe-N₄位点的电子重新分布，显著加强了CO₂的吸附/活化，促进了CO₂ER催化性能。

3）设计的基于Fe₃C|Fe₁N₄阴极的Zn-CO₂电池可提供高达0.33 mW cm⁻²的功率密度。

参考文献

Jiayi Chen, et al, Promoting Electrochemical CO₂ Reduction via Boosting Activation of Adsorbed Intermediates on Iron Single-Atom Catalyst, Adv. Funct. Mater. 2022

DOI: 10.1002/adfm.202110174

https://doi.org/10.1002/adfm.202110174