铟掺杂二氧化锡纳米颗粒高效电催化CO2还原制甲酸：稳定性与选择性调控机制

本研究通过蒸发诱导共组装法(EICA)制备铟掺杂二氧化锡纳米颗粒(In(X%)-SnO2 NPs)，解决了传统SnO2催化剂在电化学CO2还原反应(eCO2RR)中稳定性差的问题。最优催化剂In(1%)-SnO2 NPs在-1.2 V vs RHE下实现98%甲酸法拉第效率(FE)和-23.56 mA cm-2电流密度，并保持50小时稳定性，为CO2资源化提供了新型高效催化剂设计策略。

　　

随着全球碳中和目标的推进，将二氧化碳（CO₂）转化为高附加值化学品成为研究热点。其中，电化学CO₂还原反应（eCO₂RR）生成甲酸（HCOOH）因其在氢能储存和化工原料领域的应用价值备受关注。然而，现有SnO₂基催化剂普遍面临稳定性差、过电位高、产物选择性不足等挑战，其根本原因在于半导体材料的低载流子密度和活性位点易失活特性。

沙特阿拉伯国王大学（King Saud University）的研究团队创新性地提出铟（In）掺杂策略，通过蒸发诱导共组装法（EICA）制备出具有介孔结构的In(X%)-SnO₂纳米颗粒。研究发现，当In掺杂量为1 wt%时，催化剂在-0.9至-1.2 V vs RHE宽电位窗口内实现98%的甲酸法拉第效率（FE_HCOO^-），部分电流密度达-23.56 mA cm^-2，并保持50小时连续运行的超强稳定性。这项突破性成果发表于《Journal of CO₂ Utilization》，为设计高效稳定的CO₂电还原催化剂提供了新思路。

研究团队采用三大关键技术：1）蒸发诱导共组装法（EICA）构建介孔结构；2）氮气/空气两步煅烧调控氧空位浓度；3）结合X射线光电子能谱（XPS）和电子顺磁共振（EPR）定量分析缺陷结构。通过系统优化制备参数，实现了催化剂形貌、电子结构和表面化学性质的精准调控。

3.1 材料结构表征

XRD显示In成功掺入SnO₂晶格，使(110)晶面结晶度提升53%。BET测试表明1% In掺杂样品具有108 m²/g比表面积和2.33 nm介孔分布。HR-TEM观察到晶格畸变（间距0.364 nm），EDX证实In均匀分布。XPS揭示In³⁺ 3d_5/2结合能下移至444.32 eV，表明电子从O向In转移。

3.2 电催化性能

LSV曲线显示In(1%)-SnO₂ NPs起始电位正移157 mV至-572 mV。在-1.0 V时甲酸浓度达261.02 mg/L，能量效率（EE）达63.19%，较未掺杂样品提升1.3倍。EPR证实其氧空位浓度显著增加，载流子密度达5.15×10²³ cm^-3，促进CO₂^*─中间体稳定。

3.3 反应机制

Tafel斜率125.15 mV dec^-1表明CO₂^*─形成是决速步。In-Sn双位点协同作用：Sn促进氢化步骤，In优化电子结构。原位XPS发现反应后部分SnO₂还原为金属Sn，但In 3d信号减弱提示表面重构。

这项研究通过"多孔结构-氧空位-元素掺杂"三重协同策略，创制出迄今报道性能最优异的Sn基甲酸电合成催化剂。其创新点在于：1）开发可规模化的EICA制备方法；2）阐明In掺杂增强稳定性的电子转移机制；3）建立氧空位浓度与甲酸选择性的定量关系。该成果不仅推动CO₂资源化技术发展，也为其他半导体电催化剂设计提供了普适性指导原则。