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研究人员开发稳定还原二氧化碳的催化剂

导读电催化二氧化碳还原(CO2RR)是CO2资源利用的有效手段。目前开发的催化剂可以有效催化CO2RR制备多种碳基燃料,如甲酸(HCOOH),未来最有可能实

电催化二氧化碳还原(CO2RR)是CO2资源利用的有效手段。目前开发的催化剂可以有效催化CO2RR制备多种碳基燃料,如甲酸(HCOOH),未来最有可能实现商业化。

然而,目前的催化剂在高速电解过程中存在颗粒团聚、活性相变和元素溶解,导致HCOOH选择性迅速下降。需要开发兼具活性和稳定性的催化剂,以实现电催化CO2 制HCOOH的工业制备。

中国科学院中国科学技术大学(USTC)高敏瑞教授领导的研究小组通过加强材料的共价性来稳定催化剂结构。得到的硫化铟催化剂,甲酸产物的选择性可以保持在97%左右。这项工作发表在《自然通讯》上。

研究人员通过将锌 (Zn) 引入硫化铟中,提高了铟硫键的共价性,并有效抑制了催化剂中活性成分硫的损失。利用相同的合成策略,他们制备了 In2S3和 ZnIn2S4催化剂以探索其效率。

电化学性能测试表明,日宁的结构2小号4,由锌调制,呈现极大HCOO-法拉第效率和在中性电解环境局部电流密度。特别是Zn的掺入使ZnIn2S4具有优异的催化稳定性。在不间断的连续电解方法中,催化剂可以稳定地催化HCOO的形成-在工业电流密度超过60个小时,并保持在约97%的法拉第效率。

此外,研究人员对催化剂进行了严格的结构稳定性测试。通过X射线衍射和扫描电子显微镜,他们发现即使电流密度相对较高,ZnIn2S4催化剂的相和形貌也能很好地保持。而In2S3完全转变为金属In,并且S在相对低的电流密度下完全丢失。在这种情况下,S 的损失导致结构完全倒塌。

他们还使用 X 射线光电子能谱和 STEM-EDX 元素分析来确认电解过程中 In2S3中S 的严重损失。相反,ZnIn2S4结构中各元素(Zn、ln和Si)的含量和化学状态几乎没有变化。在计算机模拟的帮助下,他们发现在ZnIn2S4 中,In(Zn)和S之间的键断裂在动力学上是不利的,并且S元素的溶解被阻止。该模拟结果解释了大电流电解稳定性的内在机制。

该工作通过引入外来元素增强材料的共价键来提高催化剂的内部稳定性,为设计和创造用于长期工业制备的CO2RR催化剂提供了新的思路。

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