Advanced Science:压缩应力增强锡催化剂CO2电还原制甲酸性能

将CO2电化学还原成燃料和化工原料不仅能够满足日益增长的能源需求,也能够缓解由于CO2的过量排放而引起的环境问题。作为CO2电还原反应的一种重要产物,甲酸在医药合成、燃料电池、储氢等领域有着广泛应用。此外,技术经济分析指出甲酸是CO2电还原过程中最具经济效益的产物之一。因此,将CO2电还原成甲酸产物具有重要意义。近年来,金属催化剂钯、铅、汞、镉、铟和锡等已被报道具有较好的将CO2电还原成甲酸的催化性能。其中,锡基催化剂由于具有无毒、储量丰富、价格便宜等优点而引起了广泛关注。通过构造晶界、提高电导、引入氧空位等策略能够提高锡基催化剂的活性和选择性,然而大多数已报道的锡基催化剂其性能远低于工业化要求,即大电流密度下(>200 mA cm-2)难以实现高的甲酸产物选择性。因此,开发高效的锡基催化剂对促进CO2电还原的实际应用具有重要意义。

中国科学技术大学耿志刚副教授和曾杰教授团队通过电化学衍生法制备了具有核-壳结构的Bi@Sn催化剂。结构分析表明Bi@Sn催化剂的Sn壳层中存在压缩应力作用。相较于不含应力的Sn催化剂而言,Bi@Sn催化剂在CO2电还原过程中展现出对甲酸更高的活性和选择性。密度泛函理论计算表明Sn壳层中压缩应力有效减小了由*HCOO中间体转变为HCOOH路径的能垒。不仅如此,压缩应力的引入也能有效提高生成副产物CO和H2的反应能垒。此外,当进一步采用气体扩散电极作为工作电极时,在250 mA cm-2电流密度下,Bi@Sn催化剂对甲酸的法拉第效率可达92%。该项工作通过调控晶格应力不仅发展了一种高效的CO2电还原制甲酸催化剂,也为其他能源催化领域电催化剂的合理设计提供了借鉴意义,相关结果以“Bi@Sn Core-Shell Structure with Compressive Strain Boosts the Electroreduction of CO2 into Formic Acid”为题发表在期刊Advanced Science (DOI:10.1002/advs.201902989)上。

以上研究得到了国家杰出青年科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金大科学装置联合项目和中科院前沿科学重点研究项目等项目的资助。