面向碳中和的晶面取向SnO2@Ni中空纤维电极实现安培级CO2电还原制甲酸盐（85%单程转化率）

这篇研究报道了一种三维镍中空纤维（Ni HF）负载晶面取向SnO2纳米花的新型电极（SnO2@Ni HF），在-1.1 V（vs. RHE）条件下实现了1.3 A cm?2电流密度和94%甲酸盐选择性，并保持300小时稳定性。通过增强三相界面反应动力学和暴露SnO2(101)晶面，该电极突破性实现85% CO2单程转化率，为碳中和目标下的高效电催化（eCO2RR）提供了新策略。

　　

引言

大气CO₂累积加剧气候变化，电化学CO₂还原反应（eCO₂RR）成为实现碳中和的关键技术。二氧化锡（SnO₂）虽能选择性生成甲酸盐（HCOOH），但其低催化活性限制了实际应用。本研究通过构建三维镍中空纤维（Ni HF）负载的晶面取向SnO₂纳米花电极，解决了传统催化剂在高电流密度下的效率与稳定性难题。

材料与方法

电极制备：采用相转化-烧结法制备Ni HF基底，通过水热法在其表面生长SnO₂纳米结构。通过调控生长溶液滴定速率（0.01–0.05 mL s^?1），分别获得暴露(110)、(101)、(200)晶面的SnO₂纳米颗粒、纳米花和纳米棒。SnO₂(101)@Ni HF的Sn负载量为2.9 wt%，SnO₂层厚度约22 μm。

表征技术：扫描电镜（SEM）显示纳米花由中心辐射的纳米棒组成，高分辨透射电镜（HRTEM）证实(101)晶面间距为2.68 ?。X射线吸收近边结构（XANES）和X射线光电子能谱（XPS）验证Sn⁴⁺价态稳定存在，拉曼光谱检测到587 cm^?1的SnO₂特征峰。

电化学性能

在2 M KHCO₃电解液中，SnO₂(101)@Ni HF表现出卓越性能：

• 高选择性：1.3 A cm^?2电流密度下甲酸盐法拉第效率（FE）达94%，HER副反应被抑制至6%以下。
• 超高转化率：CO₂单程转化率突破85%，远超现有报道（通常<50%）。
• 长效稳定：连续运行300小时性能无衰减，HRTEM证实反应后SnO₂晶面结构保持完整。

机制解析：

1. CO₂穿透效应：中空纤维结构强制气体穿透孔道，形成三相（气-液-固）反应界面，电荷转移电阻（R_ct）低至2.0 Ω cm²，比非穿透模式降低13倍。
2. 晶面优势：密度泛函理论（DFT）计算显示SnO₂(101)晶面促进OCHO中间体形成（能垒-0.07 eV），并加速HCOOH脱附（0.12 eV），而(110)晶面需0.98 eV。原位拉曼光谱检测到1548 cm^?1的*OCHO特征峰，证实该路径主导反应。

结论与展望

该工作通过精准调控SnO₂晶面与三维电极结构，实现了工业级电流密度下的高效CO₂-甲酸盐转化。未来可拓展至其他气体参与的电催化体系，为可再生能源驱动的碳循环提供普适性解决方案。