南洋理工大學和西安工業大學合作的高效電化學CO2還原制甲酸研究獲進展

近日，新加坡南洋理工大學和西安工業大學的聯合研究團隊以Cu摻雜金屬硫化物SnS2(Cu-SnS2)為基礎，設計了一種高選擇性還原CO2制備甲酸/甲酸鹽的電化學催化劑。相關研究成果發表于《德國應用化學》雜志。

利用可再生能源產生的電能將CO2轉化為高附加值化學品和燃料，既可實現綠色碳循環，又可進一步合理利用清潔能源。在CO2還原的產物中，甲酸/甲酸鹽是重要的反應中間體，還可用于燃料電池和氫能儲存，因此受到廣泛關注。

為獲得更高的能量轉化效率和規模化應用，目前研究者已開發了多種電催化劑用于CO2電化學還原(CO2RR)制甲酸/甲酸鹽。其中，Sn基催化劑被認為是CO2RR制甲酸/甲酸鹽的優異催化劑之一。Sn基催化劑在寬電勢范圍內實現CO2還原的穩定高選擇性，則具有挑戰性。研究表明一方面在金屬活性中心中引入S元素，可以對其表面物種的吸附強度進行調控，優化中間體的吸附能，從而提高目標產物選擇性；另一方面可通過構建合金引起電子轉移，從而調控金屬活性中心的電子結構，實現目標產物選擇性的提高。

該研究團隊通過一系列準原位和原位表征發現，Cu-SnS2在CO2RR反應中發生動態重構，原位轉化為S摻雜Cu/Sn合金(S-doped Cu/Sn)，后者作為反應中真正的催化活性相，實現了在-0.8～-1.3 V的 vs. RHE寬電勢范圍內維持著超過80%的甲酸法拉第效率。在超過120 h的穩定性測試中，Cu-SnS2保持著約-16.5 mA/cm2的電流密度以及超過80%的甲酸選擇性。

通過理論計算分析，發現在原位形成的S-doped Cu/Sn合金中，S的摻雜和Cu的合金化調控了金屬活性中心Sn的電子結構，加強了對HOCO*中間體的吸附，克服了Sn基催化劑的不足，從而實現在寬電勢范圍內的高甲酸/甲酸鹽選擇性。

該研究結果為揭示催化劑在CO2電化學還原中的動態重構過程，以及對金屬活性中心的電子結構進行合理化調控提供了新思路。

[中國石化有機原料科技情報中心站供稿]