随着全球对化石燃料依赖的加剧，二氧化碳（CO2）排放的不断增加导致全球变暖等环境问题日益严重。近年来，电催化CO2还原反应（eCO2RR）作为将CO2转化为有价值燃料和化学品的有效手段，备受关注。然而，eCO2RR面临产品多样性、氢进化反应（HER）的竞争、低法拉第效率（FE）以及稳定性差等挑战，因此开发高效且具有选择性的电催化剂尤为关键。
高熵氧化物（HEOs）因其独特的热力学与化学特性，展现了调整催化活性和维持结构稳定性的巨大潜力。本研究通过快速热冲击处理，在碳载体上合成了超小高熵氧化物纳米粒子（小于5纳米），并系统研究了其在eCO2RR中的应用。
近日，山东大学张进涛教授团队在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Spatial Structure of Electron Interactions in High‐entropy Oxide Nanoparticles for Active Electrocatalysis of Carbon Dioxide Reduction”的论文。该研究通过快速热冲击处理，在碳载体上成功合成了超小尺寸的高熵氧化物（HEOs）纳米粒子，并探讨了其在电催化二氧化碳还原反应（eCO2RR）中的应用。
在此过程中，研究团队开发的BiSbInCdSn-O4高熵氧化物催化剂展现了卓越的性能，表现为较低的过电位、高法拉第效率（在宽电化学窗口内达到350 mA/cm²）以及在超100小时运行中的稳定性。研究进一步表明，BiSbInCdSn-O4的铋和铟位点之间的电子给体-受体相互作用有效促进了CO2的吸附和还原反应。
图1：
通过焦耳加热技术合成的超小高熵氧化物（HEOs）纳米粒子负载在碳载体上，成功获得小于5纳米的BiSbInCdSn-O4纳米颗粒。
图2：
透射电子显微镜（TEM）图像展示了BiSbInCdSn-O4纳米催化剂的粒子形态，并通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）进一步观察到Bi、Sb等元素的高熵分布。
图3：
能量色散X射线光谱（EDS）图像确认了BiSbInCdSn-O4催化剂中多元素的均匀分布，通过X射线衍射（XRD）进一步分析了其在eCO2RR过程中的结构稳定性。
图4：
BiSbInCdSn-O4催化剂在电流密度为350 mA/cm²的条件下，表现出优异的法拉第效率和持续的电催化稳定性。
图5：
通过原位差分电化学质谱（DEMS）及傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析BiSbInCdSn-O4催化剂的中间体及反应路径，揭示了其低对称性结构如何降低反应能垒，增强电催化活性。
图6：
由BiSbInCdSn-O4作为阴极催化剂的光电化学池系统展示了其在太阳能驱动的二氧化碳还原和生物质氧化中的高效转换性能，达到了约14.5%的太阳能到燃料转化效率。
通过快速焦耳加热策略，研究团队成功合成了小于5纳米的高熵氧化物纳米颗粒，有效提高了催化位点的分散性和反应活性。BiSbInCdSn-O4电催化剂不仅在eCO2RR中展现了卓越的催化性能，还通过密度泛函理论（DFT）分析揭示了铋与铟位点之间的电子相互作用如何促进CO2的高效吸附与还原反应。
未来，该领域研究有望进一步推动更高效、更稳定的电催化剂设计，并在可持续能源转换技术中发挥更大的作用。
原文出处：
Spatial Structure of Electron Interactions in High‐entropy Oxide Nanoparticles for Active Electrocatalysis of Carbon Dioxide Reduction. Wenwen Cai; Xueying Cao; Yueqing Wang; Song Chen; Jizhen Ma; Jintao Zhang.Advanced Materials, 2024.
DOI: 10.1002/adma.202409949
