在CO₂电化学还原反应(CO₂RR)中，催化剂活性位点上关键中间体的吸附强度很大程度上影响反应的过电势、产物法拉第效率和电流密度。优化反应条件如改变电解质pH和组成是调控CO₂RR性能的重要手段。CO₂RR和竞争性的析氢反应(HER)具有不同的热力学平衡电势和动力学速率，优化反应温度将有可能调控CO₂RR的产物法拉第效率和电流密度，从而改善CO₂RR性能。因此，厘清CO₂RR性能和反应温度之间的内在关联对于理解CO₂RR机理具有重要意义。

金属-氮-碳(M-N-C)单原子催化剂作为一类新型的高效CO₂电化学还原催化剂，已经被诸多课题组广泛研究。其中，Fe-N-C和Ni-N-C催化剂在CO₂RR中都表现出较高的CO法拉第效率和电流密度，但由于对关键中间体吸附强度的差异，两种催化剂在CO₂RR中表现出不同的反应过电势、产物法拉第效率和电流密度。因此Fe-N-C和Ni-N-C催化剂是研究CO₂RR温度效应的模型催化体系。

近日，中国科学院大连化学物理研究所汪国雄研究员和包信和院士团队研究了Fe-N-C和Ni-N-C单原子催化剂在CO₂RR中的温度效应，揭示了两种催化剂上不同最优反应温度的内在原因。

该研究团队在303 ~ 343 K的温度范围内研究了Fe-N-C和Ni-N-C催化剂上CO₂RR的温度效应。在303 ~ 323 K的温度范围内，Fe-N-C和Ni-N-C催化剂上CO最大电流密度均随温度升高而迅速增加。当温度继续升高时，Fe-N-C催化剂上CO最大电流密度在323 K时进入一个变化平缓的平台区，并在343 K时达到最大值185.8 ± 7.1 mA cm^-2。Ni-N-C催化剂上CO电流密度在323 K达到最大值252.5 ± 13.8 mA cm^-2，随后CO电流密度随反应温度升高而显著降低，并在343 K时降低至202.9 ± 5.2 mA cm^-2。CO程序升温脱附(TPD)实验结果表明CO吸附在Ni-N-C催化剂上的强度远弱于在Fe-N-C催化剂上。密度泛函理论(DFT)计算结果表明：由于*COOH、*CO和*H关键中间体在Fe-N-C和Ni-N-C催化剂上吸附强度不同，导致两种催化剂在CO₂RR中表现出显著不同的温度效应。

该研究成果揭示了反应温度对调控CO₂RR性能的重要性，针对特定催化剂需要优化CO₂RR反应条件，从而实现高效CO₂电化学转化。

论文信息：

Temperature-Dependent CO₂ Electroreduction over Fe-N-C and Ni-N-C Single-Atom Catalysts

Long Lin,Dr. Haobo Li,Yi Wang,Hefei Li,Pengfei Wei,Bing Nan,Prof. Dr. Rui Si,Prof. Dr. Guoxiong Wang,Prof. Dr. Xinhe Bao

文章的第一作者是中国科学院大连化学物理研究所的博士研究生林龙和李昊博博士。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202113135