电化学二氧化碳减排的一个巨大挑战是提高能源效率，这需要降低过电势，同时提高产品法拉第效率。在这里，我们设计合成了一种由 Fe 纳米粒子、吡咯型 Fe-N
4 位点和低氧碳载体组成的混合电催化剂，该催化剂在 21 mV 的超低过电势下表现出超过 99% 的显着 CO 法拉第效率，达到最高的阴极能量迄今为止，效率高达 97.1%。该催化剂还可以提供接近 100% 的 CO 选择性，并具有至少 100 小时的高阴极能量效率 (>90%)。对照实验、原位表征和理论计算的综合结果表明，引入Fe纳米粒子可以通过加速质子从CO
2到*COOH的转移并降低*COOH形成的自由能、构建吡咯型FeN
4位点和限制来降低过电势。碳载体上的氧物种可以通过抑制氢气的析出来提高CO法拉第效率，从而实现节能的电化学CO
2还原为CO。
Fig 1. 催化剂的制备和表征。 a Fe-pdN-C(O)、Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的合成示意图。 b FepdN-C(O)、Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的 XRD 图谱。 (c) 大视场视图，(d) HAADF-TEM 放大视图，(e, f) 像差校正 HAADF-STEM，(g) Fe-poN-C/Fe 的 EDS 图。
Fig 2. X射线吸收光谱和X射线光电子能谱分析。 Fe-pdN-C(O)、FepoN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 与参考样品的 Fe K 边缘的 (a) XANES 和 (b) FT-EXAFS 光谱。 (c) Fe 箔、FeTpp、Fe-pdN-C(O)、Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的 WT-EXAFS 等值线图。 (d) Fe-poN-C/Fe 的 FT-EXAFS 拟合曲线。 Fe-pdNC(O)、Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的 (e) N 1 s 谱和 (f) O 原子含量。
Fig 3. H 电池中的电化学 CO
2 还原性能。 a FepdN-C(O)、Fe-poN-C(O)和Fe-poN-C/Fe的LSV曲线。 b FECO 在 FepdN-C(O)、Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的不同施加电位下。 c Fe-poN-C/Fe 的 ECR 性能与典型电催化剂的比较。 d jCO 在不同施加电位下的分布以及 (e) Fe-pdN-C(O)、Fe-poNC(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的双层电容。 H-cell 中的所有测量均在 CO
2 饱和的 0.5 M KHCO
3 溶液（pH 7.3，电阻为 7.35 Ω）中进行，催化剂负载量为 0.5 mg·cm
−2 。 (b) 和 (d) 中的误差线代表三个独立测量值的标准偏差。
Fig 4. 流通池中的电化学 CO
2 还原性能。 a Fe-pdN-C(O)、Fe-poN-C(O)和Fe-poN-C/Fe的LSV曲线。 b FECO 和 FepoN-C/Fe 在不同电位下的相应 j。 Fe-poN-C/Fe 的 (c) FECO 和 (d) CEE 与大多数最先进的催化剂相比。 e Fe-poNC/Fe在-0.3 V外加电位下的稳定性测试。流通池中的所有测量均在1 M KOH溶液（pH 13.7，电阻为1.68 Ω）中进行，催化剂负载量为1 mg·cm
−2 。 (b) 中的误差线代表三个独立测量值的标准偏差。
Fig 5. 使用原位拉曼、KIE 测量和 DFT 计算进行机理研究。 (a) Fe-poN-C(O) 和 (b) Fe-poN-C/Fe 的原位拉曼光谱。(c) Fe-poN-C(O) 和 Fe-poN-C/Fe 的 KIE 值和 CO 产率。 d Fe-pdN
4、Fe-poN
4 和 Fe-poN
4/Fe13 的优化结构。 e -0.3 V 时 ECR 的自由能图。 (f) Fe-pdN
4、(g) Fe-poN
4 和 (h) Fe-poN
4/ Fe13 上吸附 *COOH 时的电荷分布差异。 i 形成 *COOH (G*COOH) 或 *H (G*H) 的自由能，以及 G*COOH 和 G*H 之间的差值。 (j) 不含和含不同含氧基团的优化石墨烯结构。 k 不带和带不同含氧基团的石墨烯结构上的 HER 自由能图。
相关研究工作由南开大学Wei Li 课题组于2023年在线发表在《Nat Commun》期刊上，原文：Combining Fe nanoparticles and pyrrole-type Fe-N4 sites on less-oxygenated carbon supports for electrochemical CO2 reduction。
https://doi.org/10.1038/s41467-023-40667-2
转自《石墨烯研究》公众号
