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！

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

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