Rare Metals 中国科学技术大学孙永福：氧化铟衍生的铟纳米片在工业电流密度下将二氧化碳高效电还原为甲酸盐

     2024年06月21日

氧化铟衍生的铟纳米片在工业电流密度下将二氧化碳高效电还原为甲酸盐

作者名 朱姗，赵跃，朱太云，孙志欣，朱峰，曹骏，马凤翔，李小东，张晓菁*，孙永福

国网安徽省电力有限公司电力科学研究院

中国科学技术大学 化学与材料科学学院

合肥微尺度物理科学国家实验室

马克斯·普朗克微结构物理研究所

 

【文献链接】

Zhu, S., Zhao, Y., Zhu, TY. et al. Selective CO2 electroreduction to formate over oxide-derived In nanosheets under industrial-current-density. Rare Met. (2024).

https://doi.org/10.1007/s12598-024-02722-9

 

【背景介绍】

全球工业的飞速发展是以不可再生的化石燃料资源的极具消耗为代价，伴随着难以规避的温室气体产物CO2爆炸式排放引发的环境污染与能源枯竭等问题。如何走出工业发展道路上的难以绿色化、可持续化的困境，是当前亟待探明的热点。因此，二氧化碳还原，成为了既可减少碳足迹，降低大气中CO2含量，又能有效利用工业废料循环使用得到清洁能源和附加价值产物，从而解决资源再生难题的两全其美之法。从这一出发点，衍生出二氧化碳热催化还原，光催化还原，电催化还原等等方向。其中，二氧化碳电催化还原，因其便于调控的操作条件，以及发电来源可以利用太阳能，风能，潮汐能等再生能源的优势，成为发展中的热点。直至目前，尽管有许多电催化剂运用于二氧化碳还原，大部分催化剂仍依赖于使用贵金属如金，银，铂等，而贵金属价格高昂和含量稀少也成为这一类催化剂工业化和商业化的障碍。另一方面，考虑到传统电催化CO2还原克服将CO2活化为甲酸盐中间体CO2•-*的高势垒，需要施加高负电势，导致反应消耗能量大，并且水解产氢副反应使得反应选择性差。而传统H-cell体系下催化，甲酸盐生成电流密度难以突破100 mA·cm-2的大关，更难以企及达到工业化所要求的300 mA·cm-2。因此，找到价格适宜，催化剂制备简单，方便扩大，催化剂电流可以达到工业化电流标准并且对于甲酸盐选择性高的电催化剂具有重要意义。

【文章亮点】

1.工业级电流下二氧化碳电还原

2.超过300h稳定性产纯甲酸

 

【内容简介】

日前，中国科学技术大学孙永福教授课题组在Rare Metals上发表了题为“Selective CO2 electroreduction to formate over oxide-derived In nanosheets under industrial-current-density”的研究文章，使用金属铟纳米片实现了工业级电流密度下长时间二氧化碳电还原生成甲酸。

作者使用氧化铟纳米片预还原制备了金属铟纳米片（OD-In 纳米片），在400 mA·cm-2电流密度下实现高达100%的甲酸盐法拉第效率，并在300 mA·cm-2电流密度下稳定性测试超过300 h得到纯甲酸。同时，作者使用原位XRD与原位拉曼光谱研究了氧化铟至铟的相变过程，并通过原位傅里叶变换红外光谱证实了反应活性位点有利与CO2活化为*CO2‧自由基并得到甲酸根。电化学表面积测量与DFT计算证实了氧化物衍生的铟纳米片与块材铟相比拥有大幅提升的活性位点。本研究强调了催化剂重构对电催化性能的提高，为提高工业电流密度下二氧化碳电还原的选择性提供了新的视角。

 

【图文解析】

In2O3纳米片和OD-In纳米片的结构表征.a）原位拉曼光谱和b）分别以0.1 M和1 M KHCO3为电解质的自制流通池电化学相变过程中的原位XRD图谱，其中a）中的黑色虚线对应于In2O3的特征峰。In2O3纳米片和OD-In纳米片的c）In 3d和d）O 1s的XPS光谱。e-f） In2O3纳米片和OD-In纳米片的HRTEM图像。e-f）中的插图是相应的放大HRTEM图像。 

使用原位XRD，原位拉曼，XPS与HRTEM展现了氧化铟纳米片到铟的物相转化过程，并证实了转化为金属态的铟。

CO2电还原性能在流通池中用于OD-In纳米片和块状In。a）0 V至-5.4 V （vs. RHE）之间CO2流动的线性扫描伏安曲线。b） 在 100 mA·cm-2 至 600 mA·cm-2 不同电流密度下的法拉迪效率。c） 甲酸盐的部分电流密度。d） OD-In纳米片在300 mA·cm-2下在自制固态电解质流通池中的稳定性测试。

LSV图中可以看出，OD-In纳米片的电流密度明显高于块体In。OD-In纳米片的甲酸盐FE不仅在400 mA·cm-2时达到约100%，而且在600 mA·cm-2下达到约92% 在电流密度为300 mA·cm-2的条件下对OD-In纳米片进行了稳定性测试，其中甲酸的FE在300 h内没有明显降低。

a） 充电电流密度差 Δj 与扫描速率的关系图。b） CO2 TPD光谱。c） 电化学阻抗谱。d） OD-In纳米片和体In的态密度计算。

a） OD-In 纳米片电化学 CO2 还原过程中的原位 FTIR 光谱，b） 0 V 至 -1.2 V 与 RHE 的 3D FTIR 光谱。 

使用傅里叶转化原位红外光谱研究了反应动态过程与并展现二氧化碳转化为甲酸的中间体产物。

 

【全文小结】

1.原位表征物相转化

2.工业电流下二氧化碳电还原产甲酸盐高选择性

3.超过300h稳定性

4．电催化剂结构重构对工业化二氧化碳电还原的改进