铟掺杂氧化亚铜催化剂的简易合成及其在高效电化学还原CO2制CO中的应用

本研究针对CO2电化学还原反应（CO2RR）中析氢反应（HER）竞争性强的难题，通过一锅水热法合成铟掺杂Cu2O催化剂（CuxIn1）。优化后的Cu60In1在-0.75 V vs. RHE下实现80.3% CO选择性和-29.2 mA·cm-2电流密度，性能较纯Cu2O提升10倍。原位红外和DFT计算揭示其(111)晶面优先形成*COOH中间体，促进CO脱附并抑制HER，为CO2资源化提供新策略。

　　

随着全球温室效应加剧和能源危机凸显，二氧化碳（CO₂）的转化利用成为解决双重挑战的关键。电化学CO₂还原反应（CO₂RR）可将CO₂转化为高附加值化学品，但面临析氢反应（HER）竞争性强的瓶颈。传统铜基催化剂选择性差、过电位高，亟需开发新型高效催化剂。

针对这一难题，中国科学院福建物质结构研究所等团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，通过简易水热法合成铟（In）掺杂氧化亚铜（Cu₂O）催化剂。研究人员采用元素掺杂策略，调控Cu/In比例优化催化剂性能。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）等表征手段确认材料结构，结合电化学测试、原位红外光谱（in-situ IR）和密度泛函理论（DFT）计算，系统阐明催化机制。

主要技术方法
研究采用水热法合成Cu_xIn₁系列催化剂，通过调整Cu(NO₃)₂·3H₂O与InCl₃·4H₂O比例控制掺杂量。利用三电极体系测试CO₂RR性能，气相色谱（GC）定量产物，同步辐射X射线吸收谱（XAS）分析电子结构，结合DFT计算模拟反应路径。

研究结果

1. 结构表征与组分分析
   XRD显示In掺杂未改变Cu₂O立方相结构，但引起晶格畸变。Cu₆₀In₁的(111)晶面衍射峰增强，表明In诱导晶面择优取向。

2. 催化性能优化
   电化学测试表明，Cu₆₀In₁在-0.75 V vs. RHE时CO选择性达80.3%，电流密度为-29.2 mA·cm^-2，分别是纯Cu₂O的10倍和3倍。Tafel斜率分析证实其更快的CO₂转化动力学。

3. 机理研究
   原位红外检测到关键中间体COOH信号增强。DFT计算揭示In掺杂使(111)晶面d带中心上移，降低COOH形成能垒（0.38 eV），同时提高*CO脱附能（0.21 eV），从而抑制HER。

结论与意义
该研究证实In掺杂可定向调控Cu₂O晶面暴露，优化中间体吸附能，实现CO₂RR活性与选择性的协同提升。Cu₆₀In₁催化剂制备方法简便、成本低廉，为工业化应用提供可能。理论计算与实验的深度融合，为理性设计CO₂RR催化剂提供新范式。研究获得福建省自然科学基金（2023H0046）、国家自然科学基金（22275185）等项目支持。