综述：电化学CO2转化为燃料的铁基催化剂工程

这篇综述系统阐述了铁基催化剂在电化学CO2还原（eCO2R）领域的最新进展，重点探讨了单原子催化剂（SACs）、分子复合物、结构工程等设计策略，揭示了铁中心配位环境对CO2选择性转化为CO、HCOOH及C2产物的关键作用，为碳中和能源技术提供了非贵金属解决方案。

　　

电化学CO₂还原（eCO₂R）技术正成为解决能源危机与气候问题的关键策略。铁基催化剂因其低成本、高丰度和可调控的电子结构，在众多非贵金属催化剂中脱颖而出。本文将深入解析其工程化设计路径与反应机制。

1. 引言
工业化导致大气CO₂浓度从270 ppm飙升至400 ppm，年排放超300亿吨。eCO₂R技术通过温和电解条件将CO₂转化为C₁（CO、CH₄）、C₂（C₂H₄、乙醇）等燃料，但面临CO₂分子惰性（键能806 kJ/mol）与析氢反应（HER）竞争等挑战。铁基催化剂凭借优异的*COOH中间体吸附能力和可定制的Fe-N₄位点，成为突破瓶颈的新选择。

2. eCO₂R基础原理
典型H型电解池中，阴极CO₂还原与阳极水氧化协同进行。理论电位需-0.2~-0.6 V（vs RHE），但实际需更高过电位克服*CO脱附能垒。关键步骤包括：CO₂扩散→表面吸附→COOH/CO中间体形成→产物脱附。Fe催化剂通过dz²轨道与CO₂π轨道相互作用，显著降低COOH形成能垒（DFT验证）。

3. 效能提升策略
电解槽构型：从传统H型槽到气体扩散电极（GDEs）的微流体流动池，电流密度从<35 mA/cm²提升至工业级水平。
电极架构：三维多孔电极比平面电极提供更大比表面积，Fe-N-CNT@GNR复合材料实现96% CO法拉第效率（FE）。
电解质优化：0.5 M KHCO₃中Fe-N₄位点稳定性最佳，而离子液体（如[EMIM][BF₄]）可拓宽电位窗口。

4. 铁基催化剂工程
单原子催化剂：Fe-N-C中Fe₁N₄-O₁构型通过氧掺杂将CO选择性提升至近100%。双原子NiFe-DASC更通过双金属协同作用实现94.5% FE_CO。
分子催化剂：铁卟啉（FeTPP）配合NADH类似物，仿生结构促进质子耦合电子转移（PCET），在-0.5 V下持续产CO。
结构工程：La_0.6Sr_0.4Fe_0.9Nb_0.1O_3-δ钙钛矿通过Nb掺杂产生氧空位，使CO₂吸附能力提升3倍。

5. 性能指标突破
Fe₂P₂S₆纳米片在-0.2 V下实现65.2%甲醇选择性；Fe@GDY催化剂通过Fe₃三聚体结构促进C-C偶联，生成乙醇。稳定性方面，FeN/Fe₃N异质结构在100小时测试后仍保持98% FE_CO。

6. 产业化挑战
当前限制在于：1）Fe活性中心易氧化，需开发抗氧化载体；2）C₂产物选择性不足；3）大规模制备时原子分散度控制困难。未来需结合机器学习筛选最优配体组合，并开发膜电极组件（MEA）集成工艺。

7. 结论
铁基催化剂通过精准的配位环境调控和纳米结构设计，已展现出媲美贵金属的性能。从实验室到工厂的跨越，需要产学研协同攻克稳定性与成本难题，最终实现"污染到解决方案"的闭环。