大连化学物理研究所(大连化学物理研究所官网)

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研究内容

具有明确金属中心的单原子催化剂为探索化学反应的催化活性位点和反应机理提供了独特的机会。然而，由于结合对这些位点敏感的操作技术和对单原子系统建模的挑战，对反应条件下单原子催化中心的电子和结构动力学的理解仍然有限。

中国科学院大连化学物理研究所李旭宁、香港城市大学刘彬和法国蒙彼利埃大学Frédéric Jaouen对模型催化剂在电化学CO2还原反应（CO2RR）过程中的动态结构和电子演化进行了深入研究，该模型催化剂在静止状态下仅包含作为高自旋（HS）Fe（III）N4中心的铁。HS Fe（II）Pc-被鉴定为CO2RR的催化中间体。相关工作以“Unraveling the Electronic Structure and Dynamics of the Atomically Dispersed Iron Sites in Electrochemical CO2 Reduction”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1.作者首先合成一种定义明确的铁酞菁分子（FePc，C32H16FeN8，含有或不含有57Fe），该分子包含相同的HS-Fe（III），然后将其固定在导电碳纳米管上，合成了一种单铁原子催化剂。

要点2.57Fe穆斯堡尔谱、X射线吸收光谱（XAS）和拉曼研究，电化学CO2RR过程中单个Fe原子中心的动态演化，揭示了初始的HS-O2-Fe（III）Pc在Ar饱和环境中不可逆地还原为金属铁，而在CO2饱和条件下原位产生HS Fe（II）Pc-活性位点，被鉴定为CO2RR的催化中间体。

要点3.密度泛函理论（DFT）计算表明，Pc配体的电还原改变了原位生成的HS-Fe（II）Pc-的d带中心，导致与CO2的最佳结合强度，从而提高了CO2RR的催化性能。

该工作为单铁原子材料中反应位点的电子结构和动力学提供了实验和理论证据，并将指导新型高效CO2RR催化剂的设计。

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研究图文

图1. 所制备的FePc-CNT的结构表征。

图2. 电化学CO2RR。

图3. XAS表征。

图4. 57Fe穆斯堡尔谱表征。

图5. 拉曼表征。

图6. 理论计算。

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文献详情

Unraveling the Electronic Structure and Dynamics of the Atomically Dispersed Iron Sites in Electrochemical CO 2 Reduction

Yaqiong Zeng, Jian Zhao, Shifu Wang, Xinyi Ren, Yuanlong Tan, Ying-Rui Lu, Shibo Xi, Junhu Wang,

Frédéric Jaouen,* Xuning Li,* Yanqiang Huang, Tao Zhang, Bin Liu*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c05457

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