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为解决 CO?电还原（CO?RR）中高电流密度需大过电位、限制能效的问题，研究人员开发 Zn 掺杂 In?S?/ZIF-8 衍生碳（Zn:In?S?/ZC）催化剂。其在 600 mA?cm?2 下过电位低至?0.68 V vs. RHE，揭示 Zn doping 促进OCHO 和OH 脱附，为催化剂设计提供思路。
在全球碳减排与能源转型的浪潮中，如何高效实现二氧化碳（CO?）的电化学转化成为科学界和工业界共同关注的焦点。CO?电还原（CO?RR）技术有望将温室气体转化为甲酸（HCOO?）等高附加值化学品，既缓解碳排放压力，又为碳经济注入活力。然而，这一过程面临着 “能效瓶颈”—— 通常需要较大的过电位才能维持高电流密度，导致能量利用率低下，限制了其大规模工业应用。开发兼具低过电位与高催化活性的新型催化剂，成为突破这一技术壁垒的关键。
为攻克上述难题，韩国研究人员开展了一项具有突破性的研究。他们聚焦于金属硫化物催化剂的电子结构调控，设计出一种锌（Zn）掺杂的硫化铟 / ZIF-8 衍生碳（Zn:In?S?/ZC）催化剂，相关成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。这项研究通过巧妙的原子掺杂策略，为 CO?RR 催化剂的性能提升开辟了新路径。
研究团队采用了多种关键技术方法：通过 ZIF-8 热解制备多孔碳载体（ZC），利用溶液浸渍结合退火工艺合成 Zn:In?S?/ZC 催化剂；借助原位拉曼光谱（in situ Raman spectroscopy）实时监测反应中间体的吸附与脱附行为；运用密度泛函理论（DFT）计算探究电子结构与催化性能的内在关联；通过电化学测试系统评估催化剂的过电位、电流密度及法拉第效率等关键指标。
催化剂性能突破：低过电位与高电流密度的协同实现
在 CO?RR 性能测试中，Zn:In?S?/ZC 催化剂展现出惊人的催化活性。在 600 mA?cm?2 的高电流密度下，其过电位仅为?0.68 V vs. 可逆氢电极（RHE），同时保持 457 mA?cm?2 的甲酸分电流密度，显著优于未掺杂的 In?S?/ZC 催化剂（需?0.88 V 过电位实现 413 mA?cm?2 分电流密度）。此外，该催化剂在 100 mA?cm?2 电流密度下稳定运行 12 小时，甲酸法拉第效率（FE）维持在～85%，展现出优异的耐久性。
作用机制解析：Zn 掺杂的 “电子调控密码”
原位拉曼光谱揭示了 Zn 掺杂的关键作用：锌原子的引入促进了OCHO 和OH 中间体从催化剂表面的脱附，为 CO??* 吸附腾出活性位点，从而加速高电流密度下的反应动力学。DFT 计算进一步证实，Zn 掺杂通过诱导铟（In）活性位点的电荷重分布与电子结构调制，降低了甲酸生成的能垒，优化了中间体的结合强度。具体而言，Zn 掺杂使 In 和 S 的价态降低，削弱了中间体与催化剂表面的相互作用，显著促进了速率控制步骤 —— 甲酸脱附的进行。
结构设计优势：多孔碳载体的协同效应
ZIF-8 衍生的多孔碳基质不仅为硫化铟纳米片提供了异质生长的支撑平台，还通过增强电导率、增加活性位点密度，协同提升了催化性能。这种 “碳载体 - 金属硫化物” 的复合结构设计，有效平衡了电子传输效率与反应物吸附 - 脱附动力学，为催化剂的高效运行奠定了基础。
研究结论与意义：从机理认知到应用前景
这项研究深入揭示了金属硫化物催化剂中电子结构与催化性能的内在联系，证实了原子掺杂策略在优化 CO?RR 反应路径中的有效性。Zn:In?S?/ZC 催化剂的成功开发，不仅刷新了低过电位下高电流密度 CO?还原的性能记录，更从原子层面为下一代高效催化剂的设计提供了理论指导。未来，通过进一步优化掺杂元素与载体结构，有望推动 CO?RR 技术向工业化应用迈出关键一步，为构建 “零碳” 化学合成与能源存储体系提供核心技术支撑。该研究成果不仅丰富了催化化学的基础理论，更向业界展示了 “纳米工程 + 电子调控” 策略在应对全球气候变化中的巨大潜力。
