张世国教授团队在碳基电催化材料领域取得系列进展

碳基单原子催化材料具有高的导电性和结构明确且高效的活性中心，在诸多电化学反应体系中表现出良好的催化活性。然而，一般传统碳基单原子材料中同时存在杂原子掺杂缺陷、本征缺陷等多种功能化物种和潜在活性位点，如何精确调控非金属中心功能化物种并深入理解其催化作用机理仍然比较复杂。

近日，张世国教授课题组以湖南大学材料科学与工程学院为第一单位在国际材料类顶尖期刊《Advanced Materials》（IF=27.398）上发表题为“Electroreduction of Carbon Dioxide Driven by the Intrinsic Defects in the Carbon Plane of Single Fe-N₄ Site”的研究论文。该工作采用分子修饰的氮化碳作为“多合一”前驱体（高氮含量产生本征缺陷、自模板生成石墨烯结构、配位阻止金属原子聚集），通过在单Fe-N₄结构碳平面内构建丰富的本征缺陷结构，制备了具有高效CO₂电还原催化活性的碳基单原子催化剂DNG-SAFe。得益于Fe-N₄中心与本征缺陷的协同催化作用，DNG-SAFe催化剂表现出很高的CO选择性和电流密度，基于DNG-SAFe的Zn-CO₂电池体系中可以将CO₂高选择性地还原为CO。电化学动力学分析表明，富含本征缺陷的DNG-SAFe催化剂与富含氮掺杂缺陷的催化剂NG-SAFe具有不同的活性中心。同时，本征缺陷与Fe-N₄位点的协同作用至关重要。理论计算证明，Fe-N₄位点的CO吸附能力较强，导致Fe中心的毒化，这也是高电流密度以及浓电解液体系中Fe-N₄位点活性降低的原因。而与Fe-N₄中心耦合的585本征缺陷的决速步具有更小的活化能，以及更好的CO选择性，因而成为新的活性中心。这项工作为碳基电催化材料的设计提供了新的研究思路。

图1. 本征缺陷修饰单Fe-N₄催化剂的设计及其催化性能。

图2. 本征缺陷位点催化机理研究

该论文第一作者为材料科学与工程学院博士后倪文鹏和助理教授刘智骁，共同通讯作者为王双印教授。上述研究得到了国家自然科学基金、湖南省杰出青年基金和中国博士后基金等基金项目的支持。

近年来，张世国教授课题组围绕碳基电催化材料以及电催化剂的离子液体界面改性等方面开展了大量的研究，相关工作相继发表在Applied Catalysis B: Environmental, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces, ChemSusChem, Carbon, Journal of Energy Chemistry等期刊上，部分工作课题组张妍副教授或高杨助理教授作为共同通讯作者。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003238

          https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337320310080

          https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720305829  

          https://chemistry-urope.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.202001444

          https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720304708

          https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622320302050

          https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095495620301315

          https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b18510

          https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095495620304241