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近日，淮北师范大学代凯、邵春风、王中辽团队成功开发出一种基于石墨相氮化碳（g-C₃N₄）负载的原子级分散Fe-N4位点催化剂，实现了电催化CO₂还原制CO的高效转化，CO法拉第效率高达99.6%，电流密度可达100 mA/cm²。该研究中的关键电子结构表征——X射线吸收精细结构谱（XAFS），由安徽吸收谱仪器设备有限公司的RapidXAFS台式谱仪完成，为揭示Fe-N₄活性中心的配位结构与反应机理提供了决定性的实验证据！

研究通过理论计算与实验验证相结合，明确了Fe-N₄位点对*COOH中间体的强吸附作用，显著降低CO₂质子化能垒，从而提升催化活性和选择性。该工作为设计高性能非贵金属单原子催化剂提供了新思路，也展现了实验室级XAFS设备在催化机理研究中的强大支撑能力。

背景介绍

随着全球能源危机与温室气体排放问题日益严峻，电催化CO₂还原反应（CO₂RR）成为实现碳资源循环利用的关键途径之一。其中，将CO₂高选择性转化为CO具有重要工业价值，可作为合成气用于费托合成等过程。然而，CO₂分子稳定性高、反应路径复杂，且常伴随析氢反应竞争，因此开发高活性、高选择性的电催化剂至关重要。

单原子催化剂因其极高的原子利用率和明确的活性中心而备受关注。g-C3N₄因其丰富的吡啶氮位点，可作为理想的单原子载体，形成稳定的M-N₄结构。然而，不同金属中心（如Fe、Ni、Cu）对CO₂还原性能的影响机制尚不明确，亟需通过精细电子结构表征揭示其构效关系。

本文亮点

1. 高效转化：Fe-C₃N₄催化剂在-2.5 V（vs. Ag/Ag+）下实现CO法拉第效率99.6%，电流密度达100 mA/cm²，性能优于多数已报道催化剂。

2. 机理解析：通过安徽吸收谱仪器设备有限公司的RapidXAFS，结合DFT计算，明确Fe-N₄位点与*COOH中间体的强电子耦合作用，降低反应能垒。

3. 结构验证：XAFS数据直接证实Fe以单原子形式分散，形成Fe-N₄配位结构，未出现Fe-Fe金属键，保障了活性位点的均匀性与稳定性。

图文解析

图1 Fe-C₃N₄催化剂合成示意图及结构表征

研究团队采用热解法成功合成了Fe、Ni、Cu三种金属单原子负载的g-C₃N₄催化剂。通过SEM、TEM、HAADF-STEM等表征，证实Fe物种以原子级分散形式存在于多孔C₃N₄载体中，无明显金属颗粒团聚。

图2 XAFS谱图揭示Fe-N₄配位结构

本研究的关键电子结构证据来源于安徽吸收谱仪器设备有限公司的RapidXAFS。Fe K-edge XANES谱图显示其价态介于+2与+3之间，EXAFS拟合分析表明Fe与4个N原子配位，形成平面Fe-N₄结构，且未检测到Fe-Fe配位峰，直接证实了Fe的单原子分散状态。该数据为理解其高催化活性提供了结构基础。

图3 CO₂电催化性能与机理研究

Fe-C₃N₄在宽电位范围内保持高CO选择性，且具有最优的Tafel斜率和电化学活性面积。DFT计算表明，Fe位点能向*COOH中间体转移更多电子，显著降低其形成能垒，从而促进CO₂还原进程。

总结与展望

本研究成功构建了g-C₃N₄负载的Fe-N₄单原子催化剂，在CO₂电还原制CO反应中表现出近乎完美的选择性与高活性。安徽吸收谱仪器设备有限公司的RapidXAFS在表征原子分散结构、明确配位环境、验证活性中心稳定性方面发挥了不可替代的作用，展现了实验室级XAFS设备在催化材料研究中的高分辨率、高灵敏度与高可靠性。

未来，随着CO₂还原技术的不断推进，安徽吸收谱仪器将继续为科研工作者提供高质量、原位化、易操作的XAFS/XES整体解决方案，推动同步辐射级表征技术走进每一个实验室，助力碳中和与绿色能源科技发展！