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广西大学刘熙俊与天津理工大学秦永吉、陈瑜CEJ:通过掺杂B元素对单原子Fe位点的配位环境进行调控来提升其电还原CO2性能

化学与材料科学 化学与材料科学 2022-09-08

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近十年来,以过渡金属(如Zn、Fe、Co和Ni等)为活性位点的单原子催化剂(SACs),由于其较高的原子利用率和独特的电子结构,在电催化CO2还原反应(CRR)和析氧反应(OER)等电催化反应中表现出优异的电催化活性。其中,单原子Fe催化剂因其成本低、储量丰富而受到广泛关注,然而,CO与Fe位点较强的结合能力降低了法拉第效率。近年来,通过对中心原子的配位数、配位原子和配位壳层等配位环境的调控而使得SACs的研究取得了显著进展,为SACs的进一步实际应用提供了新的可能性。鉴于此,我们将B元素引入到单原子Fe催化剂中,制备了具有CRR和OER双功能活性的电催化剂(Fe-SA/BNC)。密度泛函理论计算(DFT)表明,B元素的引入不仅促进了活性位点与中间体的电子转移,同时促进了CO的解离,使得Fe-SA/BNC相较于未掺杂的样品而具有更快的反应速率和更高的法拉第效率。相关工作以Coordination Environment Engineering to Boost Electrocatalytic CO2 Reduction Performance by Introducing Boron into Single-Fe-Atomic Catalyst为题发表在在《Chemical Engineering Journal》上。 
 


图1. (a) Fe-SA/BNC合成示意图,(b) Fe-SA/BNC的扫描电镜图,(c) Fe、B、N和C元素面扫图,(d) Fe-SA/BNC的球差矫正电镜图, (e-g) Fe-SA/BNC的同步辐射数据及拟合结果。
 
通过元素面扫、球差矫正电镜以及同步辐射测试的验证,证明了单原子Fe催化剂的成功制备,并且其活性中心的配位情况为Fe-B1N3
 


图2. (a) NC,Fe-SA/NC和Fe-SA/BNC在0.1 M KHCO3 CO2/ N2 条件下的LSV曲线,(b) Tafel图,(c) 对应恒电位电解的法拉第效率图,,(d)稳定性测试。
 
Fe-SA/BNC在CRR测试中显示出最高法拉第效率为93.95%,远高于未掺杂B元素的Fe-SA/NC(68.35%),并且Fe-SA/BNC的Tafel斜率123 mV dec-1远远小于Fe-SA/NC (321 mV dec-1),说明了B元素的掺杂不仅提高了CO的选择性,同时也提高了反应速率。此外,Fe-SA/BNC在连续电解30 h时也表现出超好的稳定性,其FECO仍保持在80%以上。

为了向工业化迈进,采用了类似燃料电池技术的膜电极组件(MEA)装置,MEA器件的最大电流密度达到~130 mA cm-2,远远大于H型电解池(~25 mA cm-2)。通过i-t(电流-时间测试)分析评估了MEA的FECO,其在不同电位下均可以达到~99%。此外,MEA装置可以连续运行11小时而活性没有明显下降。
 


图3. (a) 可充电Zn-CO2电池示意图,(b) 充放电曲线,(c) 功率密度曲线,(d) 不同电流密度下的放电曲线及相应的法拉第效率,(e) Fe-SA/BNC在1.0 mA cm-2下稳定性测试,(f)恒电流充放电循环测试。
 
以Fe-SA/BNC为阴极组装的Zn-CO2电池的峰值功率密度达到1.18 mW cm-2。经过80次以上的充放电循环(27 h)后,Fe-SA/BNC无活性衰减,说明B掺杂的显著提高了其稳定性。


作者简介

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论文第一作者为天津理工大学研究生刘帅,论文通讯作者包括天津理工大学新能源材料与低碳技术研究院秦永吉博士、化工学院陈瑜副教授及广西大学刘熙俊教授。该研究得到国家自然基金和天津科委等相关部门的资助支持。


原文链接
Shuai Liu, et al. Chemical Engineering Journal, 2022, 

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135294


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