Small:二氧化碳电还原的高性能银-二硫化锡复合催化剂

在当今社会,化石能源的大量使用加剧了能源短缺危机。而利用风能、水利能、太阳能等新能源整合成的断断续续的电能,实现由二氧化碳(CO2)还原制备碳基燃料,是解决能源问题的潜在途径。然而,一方面,CO2电还原中催化剂导电性影响着催化活性,而导电性差的催化剂会造成由电阻导致的大量能量损失。另一方面,CO2电还原首先需要实现CO2的活化,而CO2活化过程往往能垒很高,进而造成CO2电还原的低效率问题。近日,西南科技大学国防科技学院何嵘特聘教授、竹文坤教授及其研究团队针对这两个问题,开发了高效的银纳米线-二硫化锡纳米片(Ag-SnS2)杂化材料,在CO2电还原制备碳基燃料方面取得重要进展,相关研究成果在线发表于《Small》(doi:10.1002/smll.201904882)杂志中。

在以前的研究中,SnS2已被证明是CO2电还原的高选择性催化剂。针对该催化剂,研究人员一方面与高导电性的Ag纳米线杂化,提高材料导电性;另一方面将SnS2制备成具有丰富缺陷的纳米片形式,增强CO2活化能力。实验结果表明,由于Ag纳米线的费米能级与含丰富缺陷的SnS2纳米片接近,Ag-SnS2杂化材料中肖特基势垒可以忽略不计,Ag纳米线上丰富的自由电子可参与SnS2纳米片的电输运过程。因此,Ag-SnS2杂化材料中的载流子浓度是原来SnS2纳米片的5.5倍,大大提高了材料导电性。此外,Ag-SnS2杂化材料的丰富缺陷(包括位错、层错以及表面原子的迁移等)也提高了材料对CO2活化的能力。由于这两方面的优势,Ag-SnS2杂化材料在相对于标准氢-1.0 V的电位下,展现了38.8 mA cm-2 的高电流密度。在还原产物中,既有23.3 mA cm-2的液体燃料甲酸,也有15.5 mA cm-2 的气体燃料合成气(合成气配方比例为1:1,可用于加氢甲酰化等化工过程)。同时,在10个小时的恒电压电解中,Ag-SnS2杂化材料在催化剂活性和选择性上均没有太大改变,证明了该复合催化剂潜在的长时间使用价值。