南洋理工大学和西安工业大学合作的高效电化学CO2还原制甲酸研究获进展

近日，新加坡南洋理工大学和西安工业大学的联合研究团队以Cu掺杂金属硫化物SnS2(Cu-SnS2)为基础，设计了一种高选择性还原CO2制备甲酸/甲酸盐的电化学催化剂。相关研究成果发表于《德国应用化学》杂志。

利用可再生能源产生的电能将CO2转化为高附加值化学品和燃料，既可实现绿色碳循环，又可进一步合理利用清洁能源。在CO2还原的产物中，甲酸/甲酸盐是重要的反应中间体，还可用于燃料电池和氢能储存，因此受到广泛关注。

为获得更高的能量转化效率和规模化应用，目前研究者已开发了多种电催化剂用于CO2电化学还原(CO2RR)制甲酸/甲酸盐。其中，Sn基催化剂被认为是CO2RR制甲酸/甲酸盐的优异催化剂之一。Sn基催化剂在宽电势范围内实现CO2还原的稳定高选择性，则具有挑战性。研究表明一方面在金属活性中心中引入S元素，可以对其表面物种的吸附强度进行调控，优化中间体的吸附能，从而提高目标产物选择性；另一方面可通过构建合金引起电子转移，从而调控金属活性中心的电子结构，实现目标产物选择性的提高。

该研究团队通过一系列准原位和原位表征发现，Cu-SnS2在CO2RR反应中发生动态重构，原位转化为S掺杂Cu/Sn合金(S-doped Cu/Sn)，后者作为反应中真正的催化活性相，实现了在-0.8～-1.3 V的 vs. RHE宽电势范围内维持着超过80%的甲酸法拉第效率。在超过120 h的稳定性测试中，Cu-SnS2保持着约-16.5 mA/cm2的电流密度以及超过80%的甲酸选择性。

通过理论计算分析，发现在原位形成的S-doped Cu/Sn合金中，S的掺杂和Cu的合金化调控了金属活性中心Sn的电子结构，加强了对HOCO*中间体的吸附，克服了Sn基催化剂的不足，从而实现在宽电势范围内的高甲酸/甲酸盐选择性。

该研究结果为揭示催化剂在CO2电化学还原中的动态重构过程，以及对金属活性中心的电子结构进行合理化调控提供了新思路。

[中国石化有机原料科技情报中心站供稿]