超薄單原子納米片用于1，2-二氯乙烷電催化產(chǎn)乙烯反應(yīng)

近日，大連理工大學(xué)與香港理工大學(xué)研究團隊合作，在1，2-二氯乙烷電催化脫氯方面的研究中取得新進展。相關(guān)成果發(fā)表于《美國化學(xué)會納米》雜志。

含氯揮發(fā)性有機物(Cl-VOCs)的催化轉(zhuǎn)化一直是環(huán)境領(lǐng)域的一個研究重點。1，2-二氯乙烷作為一種常見的典型Cl-VOCs，在實際生產(chǎn)中排放來源廣泛，具有較高的研究價值。

該研究團隊發(fā)現(xiàn)，電催化還原能高效去除1，2-二氯乙烷的氯原子，并得到高附加值的乙烯，同時實現(xiàn)1，2-二氯乙烷污染控制和資源化利用的目標。然而，由于C-Cl鍵比較穩(wěn)定，導(dǎo)致其還原電位較高。因此高性能電催化劑的開發(fā)是該反應(yīng)急需解決的一個問題。

M-N-C型單原子催化劑自面世以來，就因其優(yōu)異的催化活性而備受關(guān)注，被認為是最有前景的貴金屬催化劑的替代品，被廣泛應(yīng)用于析氫反應(yīng)(HER)、強氧化還原反應(yīng)(ORR)、電化學(xué)CO2還原反應(yīng)(CO2RR)、氮還原反應(yīng)(NRR)以及化學(xué)合成等多個領(lǐng)域。

該研究團隊將單原子Fe-N-C催化劑引入到1，2-二氯乙烷脫氯反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)其同樣具有優(yōu)良的脫氯活性和乙烯選擇性。同時，單原子Fe的催化性能受其配位結(jié)構(gòu)影響較大，目前，對Fe-N-C催化劑的活性位點的鑒定還沒有形成定論。為了進一步提高Fe-N-C單原子材料性能，迫切需要對其催化活性位點進行系統(tǒng)研究。

該研究團隊利用模板誘導(dǎo)聚合法結(jié)合冷凍干燥和高溫?zé)峤庵苽淞顺e-Nx-Cns單原子納米片催化劑。以過量的FeCl3·6H2O晶體為二維層狀模板，通過其插層反應(yīng)和化學(xué)絡(luò)合作用，誘導(dǎo)鹽酸多巴胺(DA)的橫向聚合。Fe3+的氧化性能提高了DA的聚合速率，使得反應(yīng)時間大大縮短。為降低固-液-氣界面的表面張力，在無機-有機雜化層狀結(jié)構(gòu)干燥過程中采用了冷凍干燥工藝。在氬氣保護氛圍下，700～900 ℃高溫?zé)峤膺^程中，單分散的鐵原子錨定在氮摻雜碳基體的空位上，形成超薄Fe-Nx-Cns單原子催化劑。采用0.05 molL H2SO4溶液浸漬去除殘留的鐵模板和其他鐵物種后，得到最終產(chǎn)物。

該單原子材料表現(xiàn)出優(yōu)于市售20%Pt-C催化劑的催化活性和乙烯選擇性。同時，通過試驗與理論計算相結(jié)合的方式，證明了單分散的Fe-N4結(jié)構(gòu)中的Fe中心為產(chǎn)乙烯的主要活性位點。