一步法磷掺杂协同空位工程提升二氧化碳电化学还原效率

本研究针对CO2电化学还原反应（CO2RR）中活化能高、导电性差等关键问题，创新性地通过一步法实现磷掺杂与硫空位（PDSVs）协同调控SnS2-x催化剂。该策略使HCOOH法拉第效率达87.3%，电流密度提升至-31.4 mA cm?2，为双功能催化剂设计提供新范式。

　　

在全球碳中和背景下，二氧化碳电化学还原（CO₂RR）技术被视为实现碳循环利用的关键路径。然而，该技术面临两大瓶颈：线性CO₂分子需750 kJ mol^?1的高活化能，以及电催化剂普遍存在的导电性不足问题。传统解决方案往往单独优化空位工程或元素掺杂，难以协同提升催化性能。针对这一挑战，哈尔滨工业大学等机构的研究团队创新性地开发了一步法磷掺杂协同空位工程策略，相关成果发表于《Applied Surface Science》。

研究采用密度泛函理论（DFT）计算指导材料设计，通过气相沉积法合成三维SnS₂纳米片框架，并利用磷化处理同步实现磷掺杂与硫空位构筑。借助X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）表征缺陷结构，结合电化学工作站测试催化性能。

理论计算部分揭示：磷原子取代硫位点（P^3?替换S^2?）引发晶格畸变，电荷差分密度图显示PDSVs诱导电子在Sn位点聚集，形成新的费米能级附近电子态。能带结构分析表明P-SnS_2-x载流子密度达SnS₂的5.9倍，显著降低电荷传输阻力。

实验结果表明：在-1.2 V vs. RHE电位下，P-SnS_2-x的HCOOH选择性达87.3%，电流密度(-31.4 mA cm^?2)较原始SnS₂提升2倍。原位红外光谱证实*OOCH中间体吸附增强，活化能计算显示PDSVs使CO₂活化势垒降低0.38 eV。

结论部分强调：该工作开创性地通过价态差异驱动的一步双功能调控策略，实现电子结构（磷掺杂）与几何结构（硫空位）的协同优化。这种"缺陷工程-元素掺杂"一体化设计理念，为开发高效CO₂RR催化剂提供了普适性方法学参考。特别值得注意的是，材料在宽电位窗口（>300 mV）保持80%以上法拉第效率，展现出优异的工业应用潜力。研究团队建议未来可拓展该策略至其他金属硫化物体系，并探索其在CO₂-to-C₂₊转化中的应用。