In-SnO2异质结构界面工程：推动电催化 CO2还原制甲酸盐的新突破

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Interfacial Engineering of In-SnO 2 Heterostructure for Promoting Electrocatalytic CO 2 Reduction to Formate

为解决传统 SnO2催化剂在 CO2RR（电催化二氧化碳还原反应）选择性和稳定性方面的固有局限，研究人员构建 In-SnO2异质结构。优化后的 10In-SnO2/C 催化剂表现优异，还提出新电解系统，为提升能源效率和生产增值产品提供新思路。

　　

研究背景

在当今时代，人类活动产生的二氧化碳（CO₂）排放量持续攀升，这如同一场逐渐蔓延的 “绿色危机”，引发了全球变暖、海洋酸化等一系列严重的环境问题，给人类社会的可持续发展带来了巨大挑战。为了应对这一危机，科学家们将目光投向了电催化 CO₂还原反应（CO₂RR），它就像是一把 “绿色钥匙”，有望利用风能、氢能、潮汐能等可再生能源，把 CO₂转化为有价值的燃料和化工原料。

在众多可能的还原产物中，通过两电子转移途径生成的 C1 化合物（如一氧化碳 CO、甲酸盐）极具潜力。它们不仅具有较高的法拉第效率（Faradaic efficiency，FE，可理解为目标产物在总产物中所占的电流比例，越高代表转化效率越好），理论上能超过 90%，而且在工业上有着广泛的应用。CO 是费托合成的关键原料，甲酸盐则在制药合成、先进储氢系统以及可持续农业（如生产低碳肥料）等领域大显身手。

然而，实现这一美好愿景的道路并不平坦。CO₂分子中 C=O 键的键能高达 810 kJ/mol^-1，其固有的热力学稳定性使得 CO₂难以被还原。同时，析氢反应（HER）这个 “捣蛋鬼” 也来凑热闹，它与 CO₂RR 竞争反应位点，严重影响了 CO₂RR 的活性和产物选择性，导致相关研究进展缓慢。

二氧化锡（SnO₂）作为一种有前景的电催化剂，因其储量丰富、环境友好而备受关注。但它也存在一些 “小毛病”，在工作电位下，其高氧化态的 Sn 会发生阴极还原，这不仅加剧了 HER 的竞争，还导致 CO₂RR 性能下降，具体表现为过电位高、电流密度不足以及长时间运行时结构稳定性差等问题。面对这些困境，科研人员迫切需要寻找新的解决方案，一场围绕 CO₂RR 的科研探索之旅就此展开。

研究概况

为了攻克上述难题，来自未知研究机构的科研人员开展了一项关于构建 In-SnO₂异质结构的研究。他们致力于通过界面工程策略，解决传统 SnO₂催化剂在 CO₂RR 中的选择性和稳定性问题。最终，研究取得了令人瞩目的成果，相关论文发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》杂志上。这一研究成果为提高能源利用效率，同时实现增值产品的共生产提供了全新的策略，在电催化 CO₂还原领域具有重要的意义。

研究方法

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）分析催化剂中 In 的含量，以此确定不同催化剂的成分比例。利用 X 射线衍射（XRD）技术对催化剂的晶体结构进行表征，了解其内部的晶格排列情况。借助电化学原位拉曼（in situ Raman）、原位傅里叶变换红外光谱（in situ FTIR）技术，在反应过程中实时监测催化剂表面的化学变化。此外，运用密度泛函理论（DFT）计算从理论层面深入探究反应机理，揭示 In-SnO₂异质结构在 CO₂RR 中的作用机制 。

研究结果

1. 催化剂的结构和形态表征：研究人员合成了一系列不同 In 含量的 xIn-SnO₂/C（x = 2, 5, 10, 20）催化剂，并通过 ICP-OES 分析得知其 In 含量分别为 1.92%、5.05%、10.04% 和 20.86%。XRD 分析显示，所有催化剂都呈现出明确的晶体结构特征，为后续研究其性能奠定了基础。
2. 电催化 CO₂还原性能：优化后的 10In-SnO₂/C 催化剂表现出卓越的性能。在相对于可逆氢电极（RHE）-0.79 V 的电位下，其碳质法拉第效率（FE）高达 99%；在 - 0.79 ~ -1.09 V vs. RHE 的宽电位窗口内，FE 超过 90%。在电流密度为 200 mA cm^-2时，甲酸盐的 FE 达到 81.2%，并且能够在 30 小时内保持稳定，展现出良好的催化活性和稳定性。
3. 反应机理探究：通过电化学原位拉曼、原位 FTIR 以及 DFT 计算结果表明，In-SnO₂的界面电子离域增强了 CO₂转化为甲酸盐的热力学活性。同时，竞争性吸附调制减少了 H₂O 的吸附，有效抑制了 HER 的发生，从而提高了 CO₂RR 生成甲酸盐的选择性。
4. 集成共电解系统：研究人员提出了一种集成共电解系统，将废塑料衍生的乙二醇氧化（EGOR）与 CO₂还原耦合。在该系统中，以 10In-SnO₂/C 作为 CO₂RR 的阴极，甲酸盐的最大法拉第效率达到 81.5%；以 Ni (OH)₂作为 EGOR 的阳极，甲酸盐的最大法拉第效率为 84.6%，总甲酸盐法拉第效率高达 166.1%，这为提高能源利用效率提供了新的思路。

研究结论与讨论

综上所述，该研究成功构建了 In-SnO₂异质结构，并通过界面工程实现了高效的 CO₂RR 制甲酸盐过程。优化后的 10In-SnO₂/C 催化剂在多个性能指标上表现优异，无论是在特定电位下的高法拉第效率，还是在宽电位窗口内的稳定性，都显示出该催化剂的巨大潜力。同时，集成共电解系统的提出更是为能源利用和增值产品生产开辟了新方向。

这一研究成果意义重大，它不仅从理论上揭示了 In-SnO₂异质结构在 CO₂RR 中的作用机制，为后续设计更高效的电催化剂提供了理论依据；在实际应用方面，有望推动电催化 CO₂还原技术从实验室走向工业化，实现 CO₂的资源化利用，缓解环境压力，促进能源的可持续发展。未来，研究人员可以在此基础上进一步优化催化剂的结构和性能，探索更多的共电解体系，为应对全球气候变化和能源危机贡献更多的智慧和力量。