Small:瞬间固态激光诱导的铟用于高效还原CO₂为甲酸盐

1. 研究背景

使用可再生电力对二氧化碳进行电还原是一种生产燃料和化学品同时减少碳排放的可持续方式。其中铟基电催化剂的研究为二氧化碳电还原甲酸盐的工业化生产带来了希望。然而,合成具有低过电势和高的电流密度的金属催化剂仍然是研究的关键核心。缺陷工程是调节金属配位环境和电子结构的有效方法。金属表面的缺陷可以调节费米能级附近的电子密度,产生不饱和的配位点,继而增强关键中间体对金属的吸附能力,从而提高金属的催化性能。因此,将缺陷引入铟金属催化剂是合成高性能催化剂的一条有效路径。同时与诱导缺陷产生的传统方法相比,激光诱导产生缺陷是一种简便且高效的方法。

2. 文章概述

近日,香港城市大学叶汝全课题组与曾志远课题组报道了利用瞬间激光诱导提供的极端环境和快速动力,使铟金属盐迅速转化为富含缺陷的铟纳米粒子(L-In),并能高效地电还原二氧化碳为甲酸盐。

图 1. L-In 的制备过程和形貌表征。

图 2. L-In 的 X 射线光谱分析

在该工作中,作者通过激光诱导制备了富含缺陷的铟纳米颗粒用于二氧化碳电还原为甲酸盐。通过球差校正的透射电镜中观察到L-In的表面分布着高密度的缺陷,包括空位,自嵌入缺陷和堆垛层错。通过X射线光谱分析结果表明,L-In的局部环境是低配位的以及有不饱和键的存在。基于这样的结构,L-In表现出很好的催化性能。电化学测试结果显示,L-In能够高效地将CO2还原为甲酸盐,在0.5M KHCO3的电解液中,其甲酸盐产量高达6364.4 μmol h-1 mgIn-1,在1 M KOH的电解液中,其电流密度可以达到360 mA cm-2

图 3. H型电解池中的电化学二氧化碳还原性能测试。

图 4. 在流通池中的电化学二氧化碳还原性能的测试。

根据密度函数理论计算表明,有缺陷的d-In (101)由于表面不协调,有低饱和度的键,因此它有较小的*OCHO形成能垒,并能稳定*HCOOH中间体,从而促进HCOOH的产生并表现出更高的CO2-to-HCOOH转化性能。

图 5. 结晶和缺陷 In (101) 表面的 DFT 计算。

Transient solid-state laser activation of indium for high-performance reduction of CO2 to formate

Weihua Guo, Yuefeng Zhang, Jianjun Su, Yun Song, Libei Huang, Le Cheng, Xiaohu Cao, Yubing Dou, Yangbo Ma, Chenyan Ma, He Zhu, Tingting Zheng, Zhaoyu Wang, Hao Li, Zhanxi Fan, Qi Liu, Zhiyuan Zeng,* Juncai Dong, Chuan Xia, Benzhong Tang, Ruquan Ye*

Small

DOI: 10.1002/smll.202201311

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202201311