近日，yl23411集团官网邱明和邢卓课题组在电催化CO2还原领域取得了新的重要进展，于2025年9月12日作为内封面论文在国际期刊Journal of Materials Chemistry A（J. Mater. Chem. A, 2025, Advance Article）上发表题为“Breaking electronic distribution symmetry at Fe–N4 sites in iron phthalocyanines enhances CO2 electrochemical reduction”的研究文章。论文的第一作者是我校物理科学与技术学院的博士毕业生Jofrey Jackson Masana和肖佳勇在读博期间长期从事的研究。

（详见https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/ta/d5ta04508h/unauth）

成果简介

铁酞菁（FePc）具有典型的二维平面对称结构，其Fe–N₄位点因具有对称的电子分布，导致CO₂向CO转化的选择性较低。理论计算表明，在Fe–N₄中心引入轴向配位的氮原子可打破电子密度的对称性，促进电子向CO₂分子转移。这一调控不仅增强了CO₂的吸附与活化能力，同时降低了关键中间体CO与活性位点的相互作用。为验证该机制，本研究采用一种简便的无热解共掺杂策略，成功构建了轴向氮配位的Fe–N₅结构，并确认其作为催化反应的活性位点。所制备的Fe–N₅结构在电催化CO₂还原反应中表现出优异的CO生成性能，实现了96%的选择性以及高达5283 h⁻¹的转化频率（TOF）。本研究为通过无热解手段优化活性位点的局域微环境以提升催化性能提供了可行策略。

图文简介

图1 催化机理研究

图2 X射线吸收精细结构谱（XAFS）确定催化剂的结构

图3 催化剂的性能测试

成果结论

该工作首先采用理论计算手段探讨了系列Fe-N4类催化剂对于电催化CO2RR的性能，发现具Fe-N5构型的二维层状结构（Fe-N5/NHPCs）有着优异的CO2RR的性能（图1）。然后通过一种无热解的共掺杂策略来合成轴向N配位的Fe-N5原子构型，X射线吸收精细结构谱（XAFS）分析确定了Fe-N5催化剂的成功合成（图2）。轴向N配位的引入打破了FePc中Fe-N4位点的对称性，诱导Fe-N5位点的电子局域化，增强了CO2的吸附和活化，从而提高了Fe-N5/NHPCs的催化性能。XPS和XAS分析显示Fe原子的能量负移，表明Fe-N5/NHPCs中的氧化态(+1.62)低于FePc(+2.0)，这归因于轴向N配体向Fe中心的电子转移。结构表征证实了单个Fe原子与五个N原子配位，具有扭曲的D4h局域对称性。因此，Fe-N5/NHPCs催化剂表现出优异的CO2RR选择性(FECO=96%)、活性(3.6mAcm^-2在-0.7V)和稳定性(20h)，同时具有较低的Tafel斜率(233mVdec^-1)和较高的TOF(5283h^-1)（图3）。这些发现提供了一种新颖的策略来调整Fe和其他金属中心的局部配位环境以增强CO2RR，并启发了Fe-SACs之外的金属-N5结构的设计。

该研究得到了国家重点研发计划(No. 2022YFB3803600)、国家自然科学基金(Nos. 52472205)、中央高校基本科研业务费（No. CCNU25JC002）等多项基金的支持。

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通讯员|肖佳勇

责编|魏清

审校|赵蕴杰　邱明