由于太阳能和风能等可再生能源发电的最新发展,CO2的电催化还原引起了人们的兴趣。关于使用杂原子掺杂/合金催化剂或具有大活性面积的催化剂结构用于CO2电催化还原为甲酸盐的各种研究已有报道。然而,尚未实现能够满足商业对活性、选择性和稳定性要求的高效催化剂。
基于此,韩国科学技术研究院Hyung-Suk Oh、Dong Ki Le和Young-Jin Ko等结合流动型单电池实验、原位/操作光谱和DFT计算,深入了解了掺杂SnO2催化剂对CO2RR生成性能的影响。
与传统的SnO2催化剂相比,使用TDA合成的纳米颗粒要小得多,该表面活性剂通过胶束形成防止了SnO2生长过程中的颗粒团聚,且合成的SnO2催化剂的高分散性允许大量氧化物物质充当电化学活性中心。FTO/C催化剂表现出比其他掺杂催化剂更高的性能,可实现高达330 mA cm-2的甲酸盐部分电流密度和高法拉第效率(100 mA cm-2时为95%)。值得注意的是,该FTO催化剂在100 mA cm-2的电流密度下7天内实现了优异的甲酸盐选择性(~90%)。
基于DFT计算,氟掺杂不仅增强了HCOO-和FTO表面之间的相互作用,而且改变了CO2的电子结构以促进电子转移。
此外,原位/操作光谱表明,在FTO催化剂中,Sn的氧化态显著影响CO2RR活性,在施加的电位下长期反应没有显著下降。这些发现表明,氟掺杂剂通过调节Sn的电子结构并通过防止还原电位下的还原以提高耐久性,从而在提高FTO催化剂上甲酸盐的选择性方面发挥了重要作用。该研究为设计用于将CO2RR电化学转化为甲酸盐的高活性和耐用的电催化剂提供了见解。
Exploring Dopant Effects in Stannic Oxide Nanoparticles for CO2 Electro-Reduction to Formate. Nature Communications, 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-29783-7