控制金属-氮-碳催化剂的面内缺陷来调节CO₂电还原反应（CO₂RR）仍然充满挑战性。

近日，湖南大学王双印教授，张世国教授报道了通过与单原子Fe-N₄位点的耦合（DNG-SAFe），可以显著提高其本征碳缺陷的活性。

文章要点

1）为了获得DNG-SAFe，同时具有丰富的本征缺陷和单原子Fe-N₄位点，研究人员选择了一种独特的前驱体，即含铁富碳的g-C₃N₄（C-g-C₃N₄-Fe），用于直接碳化。首先，层状g-C₃N₄作为牺牲自模板，而C-g-C₃N₄-Fe中的附加碳原子作为碳源在热解过程中形成类石墨烯结构。其次，特殊的g-C₃N₄结构可在高温热解过程中与金属原子结合形成均匀的Fe–N_x部分，从而防止金属原子聚集。第三，C-g-C₃N₄-Fe的高氮含量也使得通过高温诱导的氮耗散产生大量的固有缺陷成为可能。在800 ℃和900 ℃下，C-g-C₃N₄-Fe直接热解得到NG-SAFe和DNG-SAFe。

2）实验结果显示，所得到的DNG-SAFe催化剂在0.1 m KHCO₃中的最大CO法拉第效率为90%，CO部分电流密度达到了33 mA cm⁻²。在浓电解液中保持了显著的优异活性，使可充电的Zn-CO₂电池在5 mA cm−2电流密下，具有86.5%的高CO选择性。

3）进一步的分析表明， CO₂RR的活性中心是本征缺陷，而非Fe-N₄位点。密度泛函理论（DFT）计算表明，Fe-N₄耦合的本征缺陷降低了CO₂RR的能垒，抑制了析氢（HER）活性。高的本征活性，再加上快速的电子转移能力和大量暴露的活性中心，使得DNG-SAFe催化剂其具有优异的电催化性能。

Wenpeng Ni, et al, Electroreduction of Carbon Dioxide Driven by the Intrinsic Defects in the Carbon Plane of a Single Fe–N₄ Site, Adv. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adma.202003238

https://doi.org/10.1002/adma.202003238