一种氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂及其制备方法和应用 (Nitrogen-doped porous carbon-loaded transition metal NPs/SAs double-activity site type electrocatalyst and preparation method and application thereof ) 是由 高展 华亚妮 张保文 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂及其制备方法和应用,在ZIFs的合成过程中巧妙的原位引入氧化石墨烯,制备得到的ZIFs颗粒不易团聚,再以ZIF-8/GO为前驱体,吸附过渡金属离子后焙烧,在热解过程中,Zn挥发而金属替代Zn与N配位,形成氮掺杂多孔碳负载的过渡金属单原子和单质纳米颗粒；金属纳米颗粒与金属单原子形成过渡金属NPs/SAs双活性位型催化剂；催化剂能够在较正的电位下,实现较宽范围的组成比例精确调控的合成气产物,催化活性高。(The invention provides a nitrogen-doped porous carbon-loaded transition metal NPs/SAs double-activity site type electrocatalyst and a preparation method and application thereof, graphene oxide is skillfully introduced in situ in the synthesis process of ZIFs, the prepared ZIFs particles are not easy to agglomerate, ZIF-8/GO is used as a precursor, the precursor is roasted after adsorbing transition metal ions, Zn is volatilized in the pyrolysis process, and metal replaces Zn to coordinate with N, so that nitrogen-doped porous carbon-loaded transition metal monoatomic particles and elementary substance nanoparticles are formed; the metal nano particles and metal single atoms form a transition metal NPs/SAs double-activity site type catalyst; the catalyst can realize a synthesis gas product with a wider range of accurately regulated composition proportion under a more positive potential, and has high catalytic activity.)
技术领域
本发明涉及电催化剂技术领域，尤其涉及一种氮杂多孔碳负载的过渡金属纳米颗粒/金属单原子(Nanoparticles/Single atoms,NPs/SAs)双活性位型电催化剂及其制备方法和在电催化CO2还原产合成气中的应用。
背景技术
温室气体排放导致全球气候变暖，已成为人类发展面临的重大危机，采取有效措施控制以CO2为主的温室气体排放刻不容缓。电催化还原CO2技术不仅能够减少碳排放，又能在电催化作用下将CO2转化为具有高附加值的化学产品，实现CO2资源化利用。该技术所需的电能可直接从太阳能、风能等可再生能源中获取，是一种将绿色能源转化为化学能的高效储能方式。但由于CO2分子是碳原子与氧原子sp杂化成键，分子成线性对称结构，键长短键能高，采用电催化还原时难以活化、反应过电势高。研究表明，Au、Ag、Pd、Pt等贵金属具有较高的CO2催化活性，但由于其价格贵、资源稀缺，不利于大规模应用；且水溶液中电催化还原CO2产甲酸、甲醇及C2+及以上液体产物也存在着产物分离困难，选择性差等问题，因此开发非贵金属催化剂电催化还原CO2产合成气对推动CO2电化学还原技术应用具有重要意义和实用价值。
合成气，即H2和CO的混合气，是石油化工领域重要的合成原料，可用于费托合成或生产甲醇、乙醇等化工产品。不同的化工过程中，所需要的合成气的最优组成比例不同。传统制备合成气的方法包括煤的气化和天然气重整，均需消耗不可再生能源，与绿色化学的概念不符。利用CO2和H2O作为原料，在水溶液中电还原CO2，是可持续地制备合成气的理想方法，但当前电还原CO2的催化剂很难在保证高电流密度的同时，实现宽范围调控合成气组成比例。此外，降低阴极电催化剂成本，也是亟需解决的问题。
氮掺杂多孔碳负载的过渡金属催化剂(M-N-C，M＝Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mn等)，价格低廉，具有CO2电催化还原活性，成为最具潜力的贵金属催化剂替代品之一。现有的以过渡金属掺杂的ZIF-8为前躯体通过碳化制备的M-N-C材料，ZIFs纳米颗粒容易团聚，粒径大，从而不利于过渡金属的高度分散，易导致金属在制备过程中团聚，且ZIF-8稳定性差。例如，中国专利CN110724272中，制备Fe掺杂的ZIF-8所需温度在40～100℃，ZIFs粒径为50～250nm。
发明内容
本发明针对电催化还原CO2产合成气应用过程中存在过电位高、选择性差、难以精准调控合成气组成比例等问题，提供一种氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂及其制备方法和应用，利用简单易操作的合成方法，制备了氮掺杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂，催化剂分散性好，该催化剂作为阴极材料能电催化还原CO2和H2O生成合成气产物，在宽电势范围内，调节合成气组成比例，获得较大的电流密度。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，将六水合硝酸锌溶于甲醇溶液中，得到A液，将二甲基咪唑溶于甲醇溶液中，得到B液，将氧化石墨烯超声分散在水中，得到C液，将B液加入到A液中，搅拌后，加入C液，持续搅拌，产物经洗涤、冷冻干燥，得到ZIF-8/GO材料；
步骤2，ZIF-8/GO材料加入溶剂中，并加入过渡金属盐溶液，搅拌后，离心，沉淀物冻干，得到过渡金属掺杂的ZIF-8/GO前驱体；所述过渡金属盐溶液中的金属为Fe、Cu、Ni和Co中的一种或两种；过渡金属掺杂的ZIF-8/GO前驱体中，过渡金属盐与ZIF-8/GO材料的质量比为1:(80～2000)；
步骤3，将过渡金属掺杂的ZIF-8/GO前驱体高温焙烧，得到氮掺杂多孔碳负载的金属NPs/SAs双活性位电催化剂；其中，在高温焙烧后，不进行酸洗操作。
优选的，步骤1中，将B液加入到A液中，室温下搅拌2～30分钟后，加入C液，持续搅拌2～24小时。
优选的，步骤1所得ZIF-8/GO材料中，ZIFs与GO质量比为23:1。
优选的，步骤2中，溶剂为正己烷。
优选的，步骤3中，焙烧气氛为氮气和氨气的混合气。
优选的，步骤3中，焙烧温度为700℃～1100℃，焙烧时间为1～3小时。
采用所述的制备方法得到的氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂。
所述的氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂在电催化还原CO2制备合成气中的应用。
优选的，采用三电极体系，在阴极上负载权利要求7所述的电催化剂，向阴极室中通入CO2气体，CO2饱和后开始恒电位电解反应，恒电位电解范围为：-0.40VRHE～-0.85VRHE。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明在ZIFs的合成过程中巧妙的原位引入氧化石墨烯，制备时，先加B液，搅拌一段时间后，再加入C液，使Zn离子均匀分散在氧化石墨烯表面，并作为成核位点，制备得到的ZIFs颗粒不易团聚，粒径分布均匀且粒径较小，ZIFs粒径在50nm左右，比表面积更大，ZIFs粒径越小越有利于负载过渡金属；再以ZIF-8/GO为前驱体，吸附过渡金属离子后焙烧，在热解过程中，Zn挥发而金属替代Zn与N配位，利用ZIFs的孔道限域及配位键合等方式固定金属原子，形成氮掺杂多孔碳负载的过渡金属单原子和单质纳米颗粒；催化剂无需酸洗等后处理过程，保留过渡金属单质纳米颗粒，金属纳米颗粒与金属单原子形成过渡金属NPs/SAs双活性位型催化剂；热解过程中，ZIF-8纳米颗粒在石墨烯表面形成一层超薄的多孔碳层，有利于CO2电还原反应过程中气体扩散和物质传输。本发明以ZIF-8/GO衍生的氮掺杂多孔碳为载体负载Fe等过渡金属，形成NPs/SAs双活性位，作为电催化剂催化还原CO2时，通过NPs/SAs双活性位协同调节催化剂固有电子结构，使催化剂对于CO分子的电子注入能力减弱，从而使得相应的CO吸附强度随之减弱(电子转移量从0.411降到了1.37)，当催化剂对CO的吸附能减弱时，则有利于CO的解析，可以提高CO的生成速率；通过双活性位实现催化剂表面对CO2电化学还原反应过程中*COOH、*CO及*H等中间态物质最佳的吸附能，提高催化活性。通过调节过渡金属掺杂量以及改变电解电位，实现精确调控合成气中H2和CO组成比例，所得H2/CO为1.09～7.08，满足合成气下游多种产品的合成需求，CO和H2的法拉第电流效率总和可高达100％。当电解电位在-0.40VRHE～-0.85VRHE时，电流密度可高达16.0～39.33mAcm-2。本发明中电催化剂合成原料廉价易得，合成工艺简单，与现有的专利相比，制备过程安全无危险性，无需酸洗，无需复杂装置，具有良好的工业应用前景，且催化剂能够在较正的电位下，实现较宽范围的组成比例精确调控的合成气产物，电流密度较大，制备的Fe NPs/SAs电催化CO2还原产合成气在较宽的电势范围法拉第电流效率都能接近100％，催化活性高。本发明中提供的阴极催化剂材料对环境友好，不会造成二次污染，催化活性高，稳定性好。
进一步的，ZIFs与GO质量比为23:1，GO用量很少，成本低。
进一步的，焙烧气氛选择氮气和氨气的混合气，有利于提高催化剂中氮含量，氧化石墨烯在焙烧过程中容易形成缺陷，在氨气氛围中有利于形成氮掺杂石墨烯，同时焙烧过程中，ZIFs在GO表面发生热熔，最终生成氮掺杂的多孔碳载体。
本发明氮掺杂多孔碳负载金属NPs/SAs双活性位型电催化剂作为阴极材料能电催化还原CO2和H2O生成比例可控的合成气产物，通过调节过渡金属掺杂量及电解电位，实现精确调控合成气中H2和CO组成比例，生产较宽组成比例的合成气产物。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作详细的说明，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为ZIF-8、Fe-ZIF-8以及Fe-ZIF-8/GO材料的xrd图。(Fe-ZIF-8/GO为实施例3制备的催化剂前躯体，ZIF-8、Fe-ZIF-8分别为按照实施例3方法不加GO和Fe，不加GO制备得到的相应材料)
图2为图1中ZIF-8、ZIF-8/GO、Fe-ZIF-8/GO材料衍生的氮杂多孔碳及Fe-ZIF-8/GO材料衍生的氮杂多孔碳酸洗过的复合材料xrd图。Fe-ZIF-8/GO材料衍生的氮杂多孔碳即为N杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs；
图3为图2中N杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs材料的BET图。
图4为实施例3Fe-ZIF-8/GO前驱体(a)及其衍生的氮杂多孔碳负载Fe NPs/SAs(b)的透射电镜图。
图5为实施例3氮杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs双活性位型催化剂电催化还原CO2线性扫描伏安图。
图6为实施例3氮杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs双活性位型催化剂电还原CO2产合成气法拉第效率及H2/CO比例随电位变化图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所述的氮杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将六水合硝酸锌溶于甲醇溶液中，得到A液，将二甲基咪唑溶于甲醇溶液中，得到B液，将氧化石墨烯(GO)超声分散在100mL去离子水中，得到C液，先将B液快速加入到A液中，室温下搅拌2～30分钟后，加入C液，持续搅拌2～24小时，产物经甲醇和水分别清洗后，冷冻干燥，得到ZIF-8/GO材料。
2)称取一定量的ZIF-8/GO材料，加入13mL正己烷，超声分散，加入过渡金属盐溶液，磁力搅拌12小时后，离心、冻干固体样品，得到过渡金属掺杂的ZIF-8/GO前驱体。
3)将过渡金属掺杂的ZIF-8/GO前驱体置于管式炉中焙烧，待自然冷却至室温后，得到氮掺杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双金属活性位复合材料。
上述步骤1)中，A液甲醇溶液的体积为100mL～600mL，B液甲醇溶液的体积为100mL～500mL。C液中氧化石墨烯的质量为50mg～400mg。形成的ZIF-8与GO质量比例为23:1。
上述步骤1)中采用的氧化石墨制备方法为改良的Hummor法，具体方法为：3.0g鳞片石墨中加入400mL浓硫酸和浓磷酸混合液(体积比为9:1)，搅拌均匀后，缓慢加入18g高锰酸钾，搅拌均匀，于50℃下持续搅拌12小时，加入400mL冰水终止反应，加入3.0mL H2O2中和过多的KMnO4。产物经离心、清洗、冻干后，储存于干燥器中保存备用。
上述步骤2)中，过渡金属盐溶液中的金属为Fe、Cu、Ni、Co中的一种或两种。
上述过渡金属盐溶液可以为铁盐溶液，铁盐溶液的铁盐选自氯化铁、硫酸铁、硝酸铁、氯化亚铁、硫酸亚铁、硝酸亚铁、柠檬酸铁、乙酰丙酮铁和酞菁铁中的至少一种。铁盐溶液浓度为1.0mg mL-1～5.0mg mL-1。样品冻干时间为12小时。铁盐与ZIF-8/GO载体的质量比为：1:(80～2000)。
上述步骤3)中，焙烧气氛为氮气和氨气的混合气，混合气流速：氮气0mL min-1～200mL min-1，氨气50mL min-1～0mL min-1，两者流速不同时取0；焙烧温度为700℃～1100℃，升温程序5℃min-1，焙烧时间为1小时至3小时。
采用上述制备得到的氮掺杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型电催化剂电催化还原CO2生成比例可控的合成气工艺为：采用三电极体系，电解池为H型密封电解池，通过质子交换膜(Nafion 117)隔开阴极和阳极，Pt片作为阳极，涂覆了上述氮掺杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位型催化剂的1.0cm2碳纸作为阴极，参比电极为填充了饱和氯化钾溶液的Ag/AgCl电极，电解液为KHCO3溶液，向阴极室中持续通入CO2气体，饱和后开始恒电位电解反应，产生气体进入气相色谱仪检测，恒电位电解得到不同组分比例的合成气产物。
其中，所述电解液KHCO3的浓度为0.05mol L-1～0.5mol L-1。
所述阴极的制备方法为：称取一定量氮掺杂多孔碳负载的过渡金属NPs/SAs双活性位电催化剂，超声分散到乙醇与Nafion的混合液中，形成催化剂墨水，然后采用喷笔将催化剂墨水喷涂到碳纸(1.0cm2)表面，得到阴极。
上述阴极的制备方法中，催化剂粉末与乙醇比例为：(4～10)mg:0.5m～2.0mL，催化剂粉末与Nafion(5％)比例为7uL mg-1催化剂。
所述阴极中催化剂的负载量为0.5mg cm-2～2.0mg cm-2。
所述恒电位电解范围为：-0.40VRHE～-0.85VRHE。
实施例1
将12mmol六水合硝酸锌溶于200mL甲醇中(A液)，将48mmol二甲基咪唑溶于100mL甲醇(B液)，将100mg氧化石墨烯分散于100mL去离子水中(C液)，将B液加入到A液中搅拌2min后，加入C液，混合搅拌12小时后，离心，分别用甲醇清洗三次，一级水清洗两次后冻干，得到ZIF-8/GO备用。
称取100mg ZIF-8/GO，加入13mL正己烷，超声分散30min，边超声边加入50uL5.0mg/mL的FeCl3溶液，搅拌12小时后离心，将样品冻干，得到Fe掺杂的ZIF-8/GO前驱体(Fe-ZIF-8/GO)。
将上述前驱体样品置于石英舟里，于管式炉中氮气和氨气混合气氛围下煅烧，氮气流速100mL min-1，氨气流速40mL min-1，煅烧温度900℃，升温速率5℃ min-1，煅烧2小时后，自然冷却至室温，得到氮掺杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs双活性位电催化剂。
称取4.0mg催化剂，加入1.0mL乙醇和28uL 5％Nafion溶液，超声3小时，保持超声清洗器温度不高于30℃。然后用喷笔将催化剂分散液喷涂于1.0cm2碳纸表面，作为工作电极。以Pt片为对电极，以饱和Ag/AgCl为参比电极，通过电化学工作站进行循环伏安测试活化工作电极，扫描范围-0.6～-1.6(V vs.Ag/AgCl)，扫描速度0.025V min-1。工作电极活化后在-1.2V vs.Ag/AgCl下进行恒电位电解反应，检测CO和H2浓度分别为2132ppm和1118ppm，CO和H2法拉第电流效率总和为100％，H2/CO为1.9。
实施例2
将12mmol硝酸锌溶于200mL甲醇中(A液)，将48mmol二甲基咪唑溶于200mL甲醇(B液)，将100mg氧化石墨烯分散于100mL去离子水中(C液)，将B液加入到A液中搅拌2min后，加入C液，混合搅拌12小时后，离心，分别用甲醇和水清洗后冻干，得到ZIF-8/GO备用。
称取100mg ZIF-8/GO，加入13mL正己烷，超声30min，边超声边加入50uL 5.0mgmL-1的氯化铁溶液，搅拌12小时后离心，将样品冻干，得到Fe掺杂的ZIF-8/GO前驱体(Fe-ZIF-8/GO)。
将上述样品置于石英舟里，于管式炉中氨气氛围煅烧，氮气流速100mL min-1，氨气流速40mL min-1，煅烧温度900℃，升温速率5℃ min-1，煅烧2小时后，自然冷却至室温，得到氮掺杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs双活性位电催化剂。
称取4.0mg催化剂，加入2mL乙醇和28uL 5％Nafion溶液，超声3小时，保持超声温度不高于30℃。然后用喷笔将催化剂分散液喷涂于1.0cm2碳纸表面，作为工作电极。以Pt片为对电极，以饱和Ag/AgCl为参比电极，通过电化学工作站进行循环伏安测试活化工作电极，扫描范围-0.6～-1.6(V vs.Ag/AgCl)，扫描速度0.025V/min。当电解电位为-1.4(Vvs.Ag/AgCl)时，H2/CO比值为3.88。
实施例3：
称取100mg ZIF-8/GO，加入13mL正己烷，超声30min，边超声边加入50uL 25mg mL-1的氯化铁溶液，搅拌12小时后离心，将样品冻干，得到Fe掺杂的ZIF-8/GO前驱体(Fe-ZIF-8/GO)。
将上述样品置于石英舟里，于管式炉中氨气氛围下煅烧，氮气流速100mL min-1，氨气流速40mL min-1，煅烧温度900℃，升温速率5℃min-1，煅烧2小时后，自然冷却至室温，得到氮掺杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs双活性位点电催化剂。
称取4.0mg催化剂，加入2mL乙醇和28uL 5％Nafion溶液，超声3小时，保持超声温度不高于30℃。然后用喷笔将催化剂分散液喷涂于1.0cm2碳纸表面，作为工作电极。以Pt片为对电极，以饱和Ag/AgCl为参比电极，通过电化学工作站进行循环伏安测试活化工作电极，扫描范围-0.6～-1.6(V vs.Ag/AgCl)，扫描速度0.025V/min。然后在-1.2(V vs.Ag/AgCl)下进行恒电位电解，检测CO和H2浓度分别为2169ppm和1527ppm，H2/CO为1.4。
实施例4：
称取100mg ZIF-8/GO，加入13mL正己烷，超声30min，边超声边加入50uL 25mg/mL的氯化铁溶液，搅拌12小时后离心，将样品冻干，得到Fe掺杂的ZIF-8/GO前驱体(Fe-ZIF-8/GO)。
将上述样品置于石英舟里，于管式炉中氨气氛围下煅烧，氮气流速100mL min-1，氨气流速40mL min-1，升温速率5℃min-1，煅烧温度900℃，煅烧2小时后，自然冷却至室温，得到氮掺杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs双活性位点电催化剂。
称取4mg催化剂，加入2mL乙醇和28uL 5％Nafion溶液，超声3小时，保持超声温度不高于30℃。然后用喷笔将催化剂分散液喷涂于1.0cm2碳纸表面，作为工作电极。以Pt片为对电极，以饱和Ag/AgCl为参比电极，通过电化学工作站进行循环伏安测试活化工作电极，扫描范围-0.6～-1.6(V vs.Ag/AgCl)，扫描速度0.025V min-1。当电解电位为-1.4(Vvs.Ag/AgCl)时，H2/CO比值为7.0(如图6所示)。
对比实施例1和2或实施例3和4可以看出，通过调控电解电位值可以精准调控合成气中H2/CO比值；对比实施例1和3或实施例2和4，可以看出通过改变前躯体中Fe的掺杂量，可以精准调控合成气中H2/CO比值。
图1～6的详细说明如下：
图1中可以看出本发明方法成功合成了ZIF-8颗粒，合成的ZIF-8的XRD结果符合ZIF-8标准卡片的数据(JCPDS No.52-0513)，且Fe以及GO的掺杂不会改变ZIF-8的晶型结构。
图2中，由氮杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs的XRD峰型可以看出催化剂中存在Fe的单质纳米颗粒。而经过酸洗之后的样品(即将上述催化剂在0.5M L-1硫酸溶液中于80℃下搅拌12小时后清洗冻干的样品)，其XRD结果中不存在Fe单质的峰。
图3为Fe-ZIF-8/GO前躯体与氮杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs氮吸附脱附曲线图，Fe-ZIF-8/GO前躯体的比表面为1060mg cm-2，焙烧后得到的氮杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs比表面积为313mg cm-2，这主要是由于焙烧过程中ZIFs在GO表面热熔造成的。
图4(a)为氮掺杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs催化剂的透射电镜图，图4(b)为Fe掺杂的ZIF-8/GO前躯体的透射电镜图，ZIFs在GO表面分散均匀，粒径为50nm左右。
图5为实施例3和4中所制备的氮掺杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs催化剂及ZIF-8/GO衍生的氮掺杂多孔碳材料(即在催化剂制备过程中不加入Fe)电还原CO2时的线性扫描曲线，可以看出不加Fe时，其起始电位为0.45VRHE，而本发明中氮掺杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs催化剂的起始电位为-0.18VRHE，Fe的引入显著增强了催化剂的催化活性。
图6为实施例3和4中所制备的氮掺杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs催化剂电催化还原CO2产合成气的法拉第电流效率随电位变化图，可以看出在宽电势范围，合成气法拉第效率均可达到100％，H2和CO组成比例为1.09～7.08。
本发明以MOF/GO衍生的多孔碳为载体负载Fe等过渡金属NPs/SAs，成功制备出了一种高效的CO2还原电催化剂，通过双活性位协同调节催化剂固有电子结构，实现催化剂表面对CO2电化学还原反应中间态物质最佳的吸附能，提高催化活性。本发明以ZIF-8/GO为前驱体，吸附Fe离子后焙烧，在热解过程中，Zn挥发而Fe替代Zn与N配位，固定Fe原子，避免其团聚；催化剂无需酸洗等后处理过程，在生成Fe SAs的同时保留Fe NPs，形成氮杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs双活性位型电催化剂；热解后，ZIF-8纳米颗粒在石墨烯表面热熔形成一层超薄的多孔碳层，有利于气体扩散和物质传输。通过调节前躯体中Fe的掺杂量及改变电解电位，可以实现精确调控合成气中H2和CO的比例，所得H2/CO比例为1.09～7.08，满足合成气下游多种产品的合成需求，CO和H2的法拉第电流效率总和可高达100％，电流密度可高达39.33mA cm-2(图6)。本发明简单易操作，所述氮杂多孔碳负载的Fe NPs/SAs双活性位型电催化剂成本低、活性高，通过调节Fe掺杂量以及改变电解电位，可实现较正的电位下、较宽的合成气组成比例，得到下游产品所需要的合成气产物。
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