Advanced Functional Materials:基于边缘硫结构调控构建高效电催化二氧化碳全裂解催化剂

在水介质中的电化学二氧化碳(CO2)裂解是在环境条件下实现CO2向高附加值化合物人工转化的有效途径。但是,CO2裂解的两个半反应,如阴极CO2还原反应(CO2RR)和阳极氧析出反应(OER),都存在着动力学迟缓的问题,需要高效的催化剂加速这两个反应。值得注意的是,与单独地研究CO2RR和OER的单功能电催化剂相比,开发双功能的CO2RR/OER电催化剂更具吸引力,因为双功能催化剂可以简化CO2裂解装置并且提高催化剂的利用率。但是,制备这种双功能催化剂极具挑战,目前只有少数的催化剂可以同时高效地催化CO2RR和OER。

深圳大学化学与环境工程学院何传新教授课题组针对上述CO2全裂解反应中的瓶颈,以氢氧化钴纳米片阵列作为模板合成了具有多级结构的二硫化钴(CoS2)纳米笼(如二维CoS2纳米片阵列上的三维空心CoS2纳米笼网络)作为高效的二氧化碳全裂解催化剂。研究发现,在氩气气氛中300 oC煅烧,可以部分的移除边缘硫,从而抑制析氢副反应(HER)。DFT计算表明,CoS2的平面硫具有高CO2RR活性但是低HER活性,是理想的CO2RR活性位点。通过系列实验结果表明边缘硫更少的多级CoS2纳米笼对HER具有强烈的抑制作用,从而显著地促进CO2RR生成CO,其法拉第效率可以提升至85.7 %。电化学测试表明,多级的纳米笼具有源于三维纳米笼和二维纳米片状结构的共同结构优势,暴露了更多活性位点和并有效提升了质量/电荷传输,从而产生高的CO2RR和OER活性。令人印象深刻的是,该三维纳米笼可以同时作为阴极和阳极催化剂用于CO2完全裂解,在接近中性的电解质中,在电压为1.92 V时达到1 mA cm-2的电流密度,是目前报道最好的CO2RR全裂解催化剂。 相关工作在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202000154)上。