氧空位工程化SnO2纳米材料增强电催化CO2转化性能研究

针对电催化CO2还原反应（ECO2RR）中关键中间体吸附难、选择性差等问题，研究人员通过等离子喷涂结合热处理技术，开发出具有高氧空位浓度的SnO2-x催化剂。该材料通过调控Sn-O共价性和电荷再分布，协同促进*COOH/*OCOH吸附，在-0.75 V vs. RHE下实现58%的C1产物法拉第效率，为CO2资源化利用提供了新策略。

　　

随着工业发展导致的化石燃料消耗激增，CO₂排放引发的环境与能源问题日益严峻。电催化CO₂还原反应（ECO₂RR）因其温和的反应条件和可控性，成为实现碳循环利用的重要途径。然而，该技术面临氢析出反应（HER）竞争、动力学缓慢及产物选择性差等挑战，其中关键中间体COOH和OCOH的吸附能力直接决定CO和甲酸盐的生成效率。锡基材料虽具有成本优势，但传统SnO₂催化剂存在活性位点不足、电子结构调控困难等问题。

云南省科研团队通过创新性等离子喷涂技术，结合后续热处理成功制备了高氧空位浓度的SnO_2-x纳米材料。该材料展现出84.41 m² g^-1的高比表面积和独特的电子结构特征，在-0.75 V vs. RHE电位下实现58%的C₁产物法拉第效率（FE）。密度泛函理论（DFT）计算揭示，氧空位诱导的晶格膨胀和Sn-O共价性降低，形成缺电子氧位点和富电子锡中心，协同促进关键中间体吸附并加速电子转移。相关成果发表于《Molecular Catalysis》，为设计高效CO₂转化催化剂提供了新思路。

关键技术包括：1）氩气等离子体喷涂实现锡粉（30-50 μm）在2000±50°C下的瞬时熔融-雾化；2）惰性气氛热处理调控氧空位浓度；3）X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征晶体结构与电子态；4）电化学工作站测试催化性能；5）DFT计算模拟电荷分布与吸附能。

【实验结果】

1. 形貌与结构特征：XRD证实SnO_2-x-700样品保持纯相，等离子喷涂引入的亚稳态SnO经热处理转化为SnO₂，同时保留高浓度氧空位。TEM显示材料呈均匀纳米颗粒形貌，比表面积达商业SnO₂的3.2倍。

2. 电子结构分析：XPS显示Sn 3d_5/2结合能正移0.4 eV，证实氧空位导致锡中心电子富集；O 1s谱中531.2 eV特征峰对应缺陷氧位点，占比达38.7%。

3. 电催化性能：在0.5 M KHCO₃电解液中，SnO_2-x-700起始电位较商业样品降低120 mV，电流密度提升3倍。CO和甲酸盐选择性分别在-0.65 V和-0.85 V达到峰值，C₁产物总FE较对照组提高2.1倍。

4. 理论计算：DFT表明氧空位使*COOH吸附能从-0.78 eV降至-1.25 eV，*OCOH吸附位点电荷密度增加47%，证实缺陷位点对中间体的稳定作用。

【结论与意义】
该研究通过等离子喷涂-热处理协同策略，实现了SnO₂催化剂中氧空位的精准调控。实验与理论共同证明，氧空位通过重构电子结构形成"缺电子氧-富电子锡"双活性中心，突破传统催化剂对C₁产物的选择性瓶颈。相比传统掺杂或还原剂处理方法，该技术避免了杂质引入，为缺陷工程提供了新范式。研究成果对开发高效CO₂转化技术、推动"双碳"目标实现具有重要科学价值。