新南威尔士大学联合国立台湾大学劉如熹课题组--多孔石墨烯上设计欠配位的Ni-Nx和Fe-Nx位点用于电化学CO2转化制合成气

在该研究中，提出了一种自上而下的方法，用于在多孔石墨烯框架内控制制备欠配位的Ni-Nx(Ni-hG)和Fe-Nx(Fe-hG)催化剂，用于电化学还原CO2 (CO2RR)s生成合成气。通过对商用级含氮石墨烯进行热处理，制备出一种有缺陷的多孔石墨烯，然后将其用作支撑，通过碳缺陷修复来引入欠配位的单个原子。研究发现，这些Ni-hG和Fe-hG催化剂可以以任何比例混合，从而在0.6~1.1 V电压范围内产生了所需的合成气比(1：10)，这是液体燃料和化学品费托合成的商业要求。这些发现与密度泛函理论计算相一致，理论计算表明，随着氮与镍配位的减少，CO的选择性增加，而不饱和铁则有利于析氢反应。在高通量气体扩散电解槽中，这些催化剂在高温下的选择性和稳定性保持不变，在槽电压为2.5V时，显示出275 mA mg−1的高质量标准化活性，这进一步证明了该催化剂的巨大的应用潜力。该实验结果为实施简单的自上而下方法制造欠配位单原子催化剂，用于脱碳合成气的生产提供了有价值的见解。

Figure 1. 用于单原子催化剂形成的多孔石墨烯框架。(a)原始NG和(b)hG的TEM图像。(c)拉曼光谱。（d）原子力显微镜剖面图显示了多孔石墨烯形貌变的。（e）HAADF-STEM图揭示了Ni-hG中的空穴恢复。（f）一步合成Ni-Nx和Fe-Nx催化剂的示意图。

Figure 2. 物理化学特性。(a-b)样品的HAADF-STEM图像。(c) EDX元素分布。（d）拉曼测量。（e）高分辨率N 1s和C 1s光谱。每种催化剂在(f) Fe K-edge和 (g) Ni K-edge的x射线吸收近边精细结构(XANES)光谱和放大曲线，以及在Fe和Ni的R空间。

Figure 3．CO2饱和的0.1 M KHCO3中CO2RR的电催化性能和机理研究。包括极化曲线(扫描速率:5mV·s-1)，不同产物的法拉第效率，以及KSCN抗毒化实验。

Figure 4．CO2RR和HER的自由能图。用不同的Ni-hG和Fe-hG催化剂计算了(a) CO2RR和(b) HER的自由能图。(c)电荷转移分布和(d) NiN2V2和 FeN2V2的态密度结果。

该研究工作由新南威尔士大学Rose Amal联合国立台湾大学Ru-Shi Liu课题组于2021年发表在ACS Nano期刊上。原文：Designing Undercoordinated Ni−Nx and Fe−Nx on Holey Graphene for Electrochemical CO2 Conversion to Syngas。