基于胆碱氯化物-尿素低共熔溶剂一步电沉积液态Ga-Sn合金及其高效CO2电还原制甲酸研究

针对工业级CO2电还原制甲酸（HCOOH）电流密度不足的难题，研究人员创新性地采用Reline低共熔溶剂（DES）一步电沉积制备Ga91.6Sn8.4液态合金薄膜。通过Koutecky-Levich方程解析离子扩散行为，结合DFT模拟揭示Sn掺杂促进OCHO吸附与COOH转化的双功能机制，最终实现90%法拉第效率（FE）的甲酸选择性产出，为液态金属催化剂设计提供新范式。

　　

随着全球碳减排压力加剧，CO₂电化学还原（CO₂RR）技术因其能将温室气体转化为高附加值化学品而备受关注。其中，甲酸（HCOOH）作为重要的氢能载体和化工原料，其选择性制备成为研究热点。传统固态催化剂受限于活性位点不均一性和线性比例关系（scaling relations），难以同时实现高电流密度与高选择性。液态金属催化剂因其表面动态重构特性可突破这些限制，但现有制备方法如物理混合法难以精确调控组分，且电沉积工艺面临Ga（E^Θ_Ga³⁺/Ga=-0.549V）与Sn（E^Θ_Sn²⁺/Sn=-0.136V）还原电位差异大的挑战。

针对上述问题，常州大学等机构的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，提出基于胆碱氯化物-尿素低共熔溶剂（Reline）的一步电沉积策略，成功制备Ga91.6Sn8.4液态合金薄膜，并实现CO₂RR制HCOOH法拉第效率达90%。该工作通过系统研究离子扩散动力学与界面反应机制，结合理论计算阐明了Sn的协同催化作用，为液态催化剂的理性设计提供了新思路。

关键技术方法包括：1）采用旋转圆盘电极（RDE）测定Sn(II)/Ga(III)在Reline中的扩散系数（2.05×10^?11 m² s^?1和4.72×10^?11 m² s^?1）与交换电流密度；2）通过恒电位沉积在铜泡沫基底构建Ga-Sn液态薄膜；3）在CO_{2饱和0.1 M KHCO3体系中评估催化性能；4）采用密度泛函理论（DFT）计算关键中间体（*OCHO、*COOH）吸附能。}

研究结果

1. 电化学行为解析：循环伏安（CV）显示Sn(II)还原为准可逆双电子过程（峰位-0.8V），Ga(III)还原不可逆（峰位-1.3V），通过调控浓度比实现共沉积。
2. 液态薄膜表征：X射线衍射（XRD）证实非晶结构，差示扫描量热法（DSC）显示室温液态特性，扫描电镜（SEM）显示多孔铜泡沫表面均匀覆盖。
3. 催化性能优化：在-1.2V vs. RHE时获得最高HCOOH选择性（90%），电流密度达12.3 mA cm^?2，优于纯Ga或Sn电极。
4. 理论机制揭示：DFT计算表明Sn掺杂使OCHO吸附能降低0.38eV，同时加速COOH→HCOOH转化，抑制副产物H₂和CO生成。

结论与意义
该研究首创的Reline介质共沉积策略突破了Ga-Sn合金组分精准调控的技术瓶颈，实验与理论双重验证了液态合金表面动态富Sn层的催化优势。相较于传统固态催化剂，液态Ga91.6Sn8.4兼具高活性位点密度和自适应界面特性，其工业化生产潜力（电流密度提升5倍）与90%的选择性为CO₂资源化提供了新方案。研究建立的DES电沉积-DFT预测联用方法，可拓展至其他液态催化体系设计，推动电催化从"静态"向"动态"催化范式转变。