Small Science: 高度分散的氧化铟纳米颗粒实现二氧化碳到甲酸盐的高效转化

研究背景

电化学二氧化碳还原(CO2RR)技术能够将二氧化碳转化为高附加值的燃料和化学产品。其中,将二氧化碳还原生成甲酸盐(或甲酸)是最经济可行的方式。在目前,二氧化碳向甲酸盐的转化过程仍然受限于电催化剂的反应活性和选择性。因此,开发高效电催化材料、优化电催化器件,对于实现二氧化碳高活性(电流密度>200 mA cm-2和高选择性(法拉第效率>90%)转化至关重要。金属铟能够选择性地将二氧化碳还原生成甲酸盐,但其活性仍远不能满足实际应用需求,往往需要针对其进行纳米结构的优化和设计以进一步提升活性。然而,其低熔点和易氧化的性质使得直接制备具有纳米结构的铟基催化剂具有一定的挑战性。一种最有效的策略是先制备具有确定尺寸和形貌的铟基化合物(如氧化物、硫化物等)作为CO2RR的预催化剂(pre-catalyst),然后将其原位转化为金属铟纳米催化材料。

文章概述

为了制备具有高活性、选择性和稳定性的铟基催化剂,苏州大学李彦光王昱沆团队提出了一种以MOFs(Metal-Organic Frameworks)作为前驱体,并通过电化学原位还原将其转化为金属铟纳米材料的策略。在该项研究中,研究团队采用硝酸铟和对苯二甲酸进行配位组装,得到MIL-68(In)前驱体,然后进行一步高温退火得到负载在纳米碳棒上的高度分散氧化铟纳米颗粒即In2O3@CNR(图1)。由X射线光电子能谱和X射线吸收谱图得知,产物中铟主要以氧化物的形式存在(图2)。H型电解池中的催化性能评估结果表明,In2O3@CNR在电化学测试条件下,会被还原为金属铟(In@CNR)。作为真正的CO2RR催化活性物质,In@CNR能够在较宽的电位窗口内(-0.8 ~ -1.0 V vs. RHE)实现~90%的甲酸盐法拉第效率,最大甲酸盐分电流密度达到了24.6 mA cm-2。其在-0.86 V电位下实现12小时稳定工作,甲酸盐法拉第效率维持在92.3%(图3)。为了进一步提升催化剂活性以及甲酸盐产量,作者将In@CNR催化剂负载在气体扩散电极上,采用流动池进行测试。测试结果表明,该催化剂在-0.8 V下能够实现高达275 mA cm-2的电流密度,并在-0.65 V下可以维持电流密度在~120 mA cm-2稳定运行12小时以上,甲酸盐的法拉第效率高达90.5%(图4)。

图文导读

图1、In2O3@CNR的制备及结构表征
图2、In2O3@CNR的谱学表征
图3、In@CNR在H型电解池中的二氧化碳还原性能评估
池中的二氧化碳还原性能评估

结论

本课题通过以MIL-68 (In)为前驱体,实现了负载在纳米碳棒上高度分散氧化铟纳米颗粒的制备。在电化学测试条件下,氧化铟纳米颗粒会转变为金属铟作为CO2RR真正催化活性物质。H型电解池中的CO2RR电催化测试结果表明,In@CNR在较宽的电位窗口内具有>90%的甲酸盐选择性;在流动池中的评估结果表明,该催化剂能够实现~300 mA cm-2的大电流密度,>90%的甲酸盐选择性以及优异的稳定性。在未来的CO2RR应用中,可以通过优化电催化器件结构来进一步提升体系稳定性和二氧化碳的单程转化率。

论文信息

Highly Dispersed Indium Oxide Nanoparticles Supported on Carbon Nanorods Enabling Efficient Electrochemical CO2 Reduction

Binbin Pan, Guotao Yuan, Xuan Zhao, Na Han, Yang Huang, Kun Feng, Chen Cheng, Jun Zhong, Liang Zhang, Yuhang Wang*, Yanguang Li*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202100029

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202100029