Advanced Functional Materials:可控调节SnO2的介孔表面和维度用于高效催化CO2电化学还原

化石燃料的过度消耗造成了能源危机以及二氧化碳的大量释放,这对全球环境安全和气候变化构成了重大威胁,因此开发有效的方法(酶催化、光催化、热催化、电化学还原)来消耗大气中过多的二氧化碳并将其转化为可再生的碳基燃料或化工原料以缓解能源短缺引起了广泛的兴趣。其中, CO2电化学还原 (CO2 RR)被认为是将CO2转化为甲酸(HCOOH)、一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、乙醇(C2H5OH)和甲醇(CH3OH)等多种产物的最具吸引力和环保性的方法。迄今为止,各种各样的电催化剂,包括金属、金属合金、金属氧化物、金属硫化物及其杂化物已被广泛报道用于CO2 RR,而SnO2由于具有无毒、储量丰富和催化活性高等优点,其作为CO2 RR电催化剂引起了人们的广泛关注。

与此同时,近年来的研究表明,由于电催化反应通常只涉及催化剂表面与电解液接触的几层原子,因此材料表面对其电催化性能尤为重要。调控材料表面如引入致密的介孔结构可以增加其比表面积,暴露更多的反应位点,提高电解质的可接触性。同时,丰富的的介孔结构也可以为表面掺杂和改性提供理想的平台。而从结构的角度来看,不同功能模块在空间上的不同排列将影响它们的相互作用和性质。就SnO2材料而言,其作为一种高性能CO2 RR催化材料研究甚广,但通过一种简单而高效的途径来控制SnO2的介孔表面,并在一个体系内同步控制其维度/架构,仍具有高度挑战性。

近期,华东师范大学刘少华研究员与浙江大学侯阳研究员合作,利用软模板协同自组装法成功地实现了SnO2的维数和介观结构的同步控制,通过调整含氟表面活性剂疏水链长度, 分别获得了平均尺寸为165 nm的零维SnO2纳米球和厚度为22.5 nm的二维SnO2纳米片,并成功实现在二者表面装饰有序的介孔阵列 (孔径为16 nm),随后的热处理形成了分级孔,进一步提高了其比表面积(96.8 mg -1)和结晶性。通过SEM,AFM,TEM,BET,XPS,XRD, FT-IR等表征手段明确了其形貌,组成和结构。合成的介孔SnO2纳米片作为二氧化碳电还原催化剂表现出良好的选择性、较好的稳定性和法拉第效率 (FE) ,甲酸和C1产物(甲酸+一氧化碳)的法拉第效率分别达到90.0%和97.4%,这归因于其维度的优化和介孔结构的引入。

本工作不仅以简单的方法开发出选择性、效率和稳定性优异的CO2 RR电催化剂,而且为通过模板诱导的自组装技术实现层次化功能材料的可控构建开辟了道路。相关论文在华东师范大学物理与电子科学学院刘少华研究员和浙江大学化工学院侯阳研究员指导下完成,近期发表于Wiley旗下材料科学专业期刊Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202002092),本课题该项目得到了国家自然科学基金委的资助,也得到了华东师范大学所提供的大力支持。