中科院AEM:約束在拓撲碳缺陷中的超細Fe2C納米團簇用于高效電還原二氧化碳

K.L 3個月前 (05-14) 1168瀏覽

一、【導讀】

? ?近年來，由可再生能源驅動的電催化二氧化碳還原反應（CO₂RR）可以通過捕獲和分離大氣中的二氧化碳生產增值化學品，從而緩解污染氣體對氣候的危害。然而，由于CO₂分子高度穩定，很大程度上受到不切實際的高過電勢的阻礙。迄今為止，已經報道了多種材料作為活性CO₂RR電催化劑。然而，鐵作為地球上最豐富的金屬之一，卻很少出現在CO₂RR的催化劑中。研究表明鐵基催化劑對CO₂RR表現出極其緩慢的動力學，歸因于Fe位點與產物CO分子之間的強結合。因此，可以通過調節Fe位點的電子結構來削弱CO的吸附強度，從而提高鐵基材料對CO₂RR電化學性能。另外，碳作為一種輕的P區元素，其價軌道具有較高的能量，與鐵結合時可以推高費米能級，使得d帶中心相對于費米能級降低。由此可見，合理設計和構建鐵碳化合物可以提高鐵基材料的CO₂RR性能。

二、【成果掠影】

? ?近日，中科院寧波材料所陳亮團隊采用雙重N-消除策略來合成和穩定很少報道的Fe₂C納米團簇（Fe₂C-Cs@DC），其平均直徑為1.07 nm，被約束在拓撲碳缺陷中。Fe₂C-Cs@DC在電催化CO₂?RR上表現出優異的性能。相關的研究成果以“Ultrafine Fe₂C Iron Carbide Nanoclusters Trapped in Topological Carbon Defects for Efficient Electroreduction of Carbon Dioxide”為題發表在Advanced Energy Materials上。

三、【核心創新點】

? ?1、作者受到雙N消除策略的啟發，成功在缺陷碳中合成出超細Fe₂C納米團簇。由于拓撲碳缺陷的存在，得到的Fe₂C超細團簇穩定且分布均勻。值得注意的是， Fe₂C-Cs@DC可以驅動8.53 mA cm^-2的電流密度，在-0.7 V vs RHE下產生CO的法拉第效率為97.1%。

? ?2、DFT計算表明，納米Fe₂C團簇與CO的結合比Fe結晶表面以及其他鐵碳化物弱得多，從而促進了CO解吸和整個CO₂RR過程。

四、【數據概覽】

圖1 a) Fe₂C-Cs@DC低倍TEM照片。b) Fe₂C-Cs@DC在高倍放大下的TEM圖像。c) 根據 (b) 的相應粒度分布。d) Fe₂C-Cs@DC中的Fe 簇由紅色圓圈顯示。(e) Fe₂C-Cs@DC中碳的 HRTEM 圖像。(f) Fe₂C-Cs@DC中的C、N 和 Fe元素的EDX圖。? 2023 Wiley

圖2 a) Fe₂C-Cs@DC和FeN-Cs@NC的XRD圖。b) Fe₂C-Cs@DC和FeN-Cs@NC的N1s的XPS光譜。c) Fe₂C-Cs@DC、FeN-Cs@NC?、Fe箔和FeOOH的Fe K-edge XANES光譜。(d) Fe₂C-Cs@DC?、FeN-Cs@NC和Fe箔的k3-weighted?EXAFS的傅立葉變換光譜。? 2023 Wiley

圖3 a) Fe₂C-Cs@DC在CO₂飽和（實線）和Ar飽和（虛線）的0.1 M KHCO₃水溶液中的LSV。b) CO（灰色）和H₂（紅色）的法拉第效率以及CO在一定范圍的施加電勢下的部分電流。c）在不同應用電位下，各種催化劑的CO法拉第效率。d）在不同施加電位下，各種催化劑的CO部分電流密度。e) Fe₂C-Cs@DC和FeN-Cs@NC在 0.1 M KHCO₃水溶液中CO部分電流密度的塔菲爾圖。f)?Fe₂C-Cs@DC在-0.7 V vs RHE電位下24 h的CO₂RR穩定性測試。? 2023 Wiley