我国科大研制在工业级电流下安稳复原二氧化碳制甲酸盐催化剂

  资源化使用的有用手法，一起为完成国家的“碳中和”战略供给了有潜力的途径。现在规划并研制的催化剂能有用催化CORR制备多种碳基燃料（如一氧化碳、甲酸和乙醇等）。经济技能剖析标明，甲酸（HCOOH）是未来最接近商业化的产品：当总电流密度200 mA cm、法拉第功率90%且能量转化功率50%时就可以完成商业盈余。但是，当时规划的催化剂在高速率电解进程中会产生聚会、活性物质相变、元素溶解等现象，导致HCOOH选择性敏捷下降。因而，为完成电催化CO到HCOOH的工业级制备，有必要研制活性和安稳才能兼备的催化剂并了解相关安稳性机理。

  近来，我国科大高敏锐教授课题组与唐凯斌教授课题组协作，提出增强资料共价性来安稳催化剂结构的想象。研讨人员在易脱硫的硫化铟中引进锌，进步铟-硫键的共价性，有用按捺催化剂中活性成分“硫”的丢失，从而在300 mA cm-2电流密度下安稳CO2电解60 h，甲酸产品选择性坚持97%左右。该效果以“Stabilizing indium sulfide for CO2electroreduction to formate at high rate by zinc incorporation”为题在线宣布在《天然·通讯》杂志上（Nat. Commun. 2021, 12, 5835）。论文一起榜首作者是我国科大博士生池丽萍、牛壮壮和张晓隆。

  研讨人员选用相同组成战略，在无锌和有锌条件下制备了In2S3和ZnIn2S4催化剂。所制备催化剂具有相同的描摹、尺度和比表面积，确保了两者功能的公正比较。如图1所示，原子结构剖析标明ZnIn2S4归于(ZnS)mIn2S3(m = 1~3)系统，其间S和Zn(In)有序替换。沿[001]方向的原子序列是S-ZnT-S-InO-S-InT-S，其间ZnT和InT占有四面体配位，InO占有八面置。相比之下，In2S3中三分之一的四面点未被占用。

  电化学功能测验标明，在中性电解环境中（1 M KHCO3），锌引进而构成的ZnIn2S4结构展现出更优的HCOO-法拉第功率和部分电流密度。很重要的是，锌的引进赋予ZnIn2S4杰出的催化安稳性：在未接连的接连电解进程中，该催化剂能在工业级电流密度下（300 mA cm-2）安稳催化生成HCOO-达60 h，而且坚持产品法拉第功率在97%左右。电解60 h后，检测到的甲酸盐总量约为327 mmol（图2）。

  研讨人员对催化剂进行了严格地结构安稳性测验（图3和4）。X射线衍射和扫描电子显微镜研讨标明，即便在电流密度高达500 mA cm-2时，ZnIn2S4催化剂的物相和描摹仍然得到很好的坚持（图3）。相比之下，In2S3在仅50 mA cm-2的电流密度下S则彻底丢失，转变为金属In相。一起，S丢失带来了描摹的彻底崩塌。

  研讨人员进一步使用X射线光电子能谱、STEM-EDX元素剖析和ICP等剖析技能，证明了In2S3在电解进程中产生了严峻的S丢失。相反，在60h的大电流CO2电解后，ZnIn2S4结构中每种元素（Zn、In和S）的含量和化学态就没有改动。选区电子衍射依据成果得出，在不一起间电解后，催化剂的单晶结构仍然得以坚持（图4）。

  经过计算机模仿，研讨人员发现在ZnIn2S4中，In(Zn)和S之间的键开裂在动力学上是晦气的，S元素溶解受阻，完美解说了其大电流电解安稳性的内涵机理。

  该作业提出了经过引进外来元素增强资料的共价性，提高催化剂的内涵安稳性，从而为规划和创制在工业级电流下长时刻执役的CO2RR制备甲酸盐催化剂供给了新的思路。

  相关研讨遭到国家天然科学基金委、国家要点研制方案、安徽省要点研讨与开发方案等项目的赞助。