解庆林/郭彦炳/叶代启Angew.：非相互作用Ni和Fe双原子对促进N-C光热还原CO2！|fe|催化剂|单原子|叶代启|解庆林|辐射|郭彦炳

研究内容

太阳能驱动的CO 2 转化为增值化学燃料(如CO、CH 4 和CH 3 OH)被认为是未来可再生能源的绿色碳中和的技术。但是，弱太阳辐射下的太阳能到化学能转换通常难以满足CO 2 减排的热量需求。

桂林理工大学解庆林、华中师范大学郭彦炳和华南理工大学叶代启设计了一种新的集中太阳能驱动光热系统，将双金属单原子催化剂(DSAC)与相邻的Ni-N 4 和Fe-N 4 对位耦合，用于在模拟太阳辐射甚至环境阳光下，用H 2 O促进气固CO 2 还原。结果显示，(Ni，Fe)-N-C DSAC催化CO 2 还原为主要CO(86.16 μmol g -1 h - 1 )、CH 4 (135.35 µmol g -1 h -1 )。相关工作以“ Non-interacted Ni and Fe Dual-atom Pair Sites in N-doped Carbon Catalysts for Efficient Concentrating Solar-driven Photothermal CO 2 reduction ”为题发表在国际著名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上。

研究要点

要点1. 作者开发了一种简单的方法，即在具有太阳能集中器的浓缩太阳能光热系统中，在存在H 2 O的情况下，在N掺杂的碳物质((Ni，Fe)-N-C)上定义N配位的Ni和Fe双单原子，用于气固CO 2 PR。在对NiFe-ZIF-8前驱体进行高温热解和酸蚀后，X射线吸收精细结构(XAFS)光谱和像差校正的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)显示，双活性中心DSAC形成了相邻的Ni-N 4 和Fe-N 4 结构，具有N桥相互作用的Ni-N-N-Fe构型。

要点2. 在模拟太阳辐射(49.0 mW cm -2 )下，与单个Ni和Fe SACs相比，优化的(Ni，Fe)-N-C催化剂在CO 2 转化为主要CO、CH 4 和CH 3 OH方面表现出更显著的光热性能，表明对两组单原子的协同效应具有显著优势。(Ni，Fe)-N-C DSAC催化CO 2 还原为主要CO(86.16 μmol g -1 h - 1 )、CH 4 (135.35 µmol g -1 h -1 )。

要点3. 基于理论模拟，通过(Ni，Fe)-N-C DSAC上的电子轨道杂化，在具有电子相互作用的非相互作用Ni和Fe双原子对位置上有效地调节了Fe原子的费米能级和d带中心。Ni-N-N-Fe构型的相邻Ni和Fe原子之间的空间适当距离导致额外的Ni原子作为新的活性位点有助于主要的*COOH和*HCO 3 离解，优化反应过程中相应的能垒，导致用于太阳能驱动的光热CO 2 还原为初始CO产生的特定的双反应途径(COOH和HCO 3 途径)。

研究图文

图1.（a）具有相邻Ni-N 4 和Fe-N 4 位点的(Ni，Fe)-N-C DSAC的示意图。（b）ZIF-8的FESEM，（c，d）(Ni，Fe)-N-C DSAC的TEM和HRTEM，（e-g）(Ni，Fe)-N-C DSAC像差校正的HAADF-STEM(双金属单原子在黄色矩形中突出显示)。（h）(Ni，Fe)-N-C DSAC的叠加元素图像和（i-l）对应元素图像。

图2. 原子结构和配位状态分析。

图3.（a）新型太阳能光热CO 2 还原系统示意图。（b-e）通过红外相机获得的装有催化剂(N-C、Ni-N-C、Fe-N-C和(Ni，Fe)-N-C）的石英管在49.0 mW cm -2 模拟太阳辐射下的空间温度图。（f-h）在模拟太阳辐射下，在不同的单原子催化剂上用H 2 O蒸汽还原CO 2 得到的CO、CH 4 和CH 3 OH产率。（i，j）CO 2 和H 2 O蒸汽混合物在(Ni，Fe)-N-C SAC上的原位DRIFTS光谱作为光照射时间的函数。

图4.（a）(Ni，Fe)-N-C、（b）Fe-N-C和（C）吸附在(Ni，Fe)-N-C上的CO 2 的差分电荷密度的顶视图/侧视图(黄色和青色等表面分别表示电子积累和耗尽)。（d）(Ni，Fe)-N-C SAC的Fe，Ni d轨道和N空位的投影态密度(PDOS)。（e，f）CO 2 吸附在(Ni，Fe)-N-C上前后的PDOS。（g）在Fe-N-C和(Ni，Fe)-N-C上CO 2 还原为CO/CH 4 途径的计算吉布斯自由能图。

文献详情

Non-interacted Ni and Fe Dual-atom Pair Sites in N-doped Carbon Catalysts for Efficient Concentrating Solar-driven Photothermal CO 2 reduction

Shengpeng Mo, Xinya Zhao, Shuangde Li, Lili Huang, Xin Zhao, Quanming Ren, Mingyuan Zhang, Ruosi Peng, Yanan Zhang, Xiaobin Zhou, Yinming Fan, Qinglin Xie,* Yanbing Guo,* Daiqi Ye,* Yunfa Chen

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202313868