吴正翠教授、盛天博士，Angew.：铁族金属离子掺杂诱导SnSe/SnSe2 p−n异质结界面多位点促进CO2电还原制乙醇

第一作者：郑新月，胡艳，王相宇

通讯作者：吴正翠*，盛天*

单位：安徽师范大学

以可再生电力为动力的电催化CO₂还原反应（CO₂RR），可以将过量的CO₂转化为清洁能源储存在燃料或化学品的化学键中，是全球碳循环中储存可再生能源和减少温室气体积累的重要方法。在CO₂RR的各种产物中，乙醇作为一种便于储存和运输的液态C2产物，不仅是一种常用的化学品，而且是一种具有高能量密度（26.8 MJ kg⁻¹）的液体燃料，因此备受青睐。然而，由于具有相似多步中间体的其他C₁或C₂₊产物的竞争导致C-C耦合可控性低，使得在大电流密度下获得高选择性的乙醇仍是一项艰巨的挑战。迄今为止，Cu基材料是CO₂RR制乙醇的常用催化剂，因为Cu基材料具有适中的*CO和H*吸附能，有利于C-C耦合和加氢过程。然而，在CO₂RR过程中，特别是在大电流密度下，催化剂的结构降解通常会导致耐久性差。因此，迫切需要设计具有新颖组成/结构的非Cu基替代材料来操纵CO₂RR反应中间体的演变，实现在工业级电流密度（>200 mA cm⁻²）下选择性地将CO₂还原为乙醇，从而更全面地了解C-C键的形成机理，给未来超越Cu基的CO₂RR催化剂的设计和开发提供一定的指导。

近日，来自安徽师范大学的吴正翠教授和盛天博士团队，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Prompting CO₂ Electroreduction to Ethanol by Iron Group Metal Ion Dopants Induced Multi-sites at the Interface of SnSe/SnSe₂ p−n Heterojunction”的文章。该工作通过将铁族过渡金属离子掺杂到p-区金属硒化物中，合成了具有纳米棒/纳米片分级结构的过渡金属离子M²⁺（M = Fe、Co或Ni）掺杂的非晶/结晶SnSe/SnSe₂（a/c-SnSe/SnSe₂）非铜基催化剂，通过杂原子与Se原子之间的p-d轨道杂化调节了活性位点的电子结构，使活性位点多样化，同时掺杂的杂原子形成了新的活性位点，从而调节反应中间体的吸附行为，实现了大电流密度下将CO₂电还原为乙醇。

Fe掺杂a/c-SnSe/SnSe₂的SEM和STEM图像清晰地揭示了其纳米棒/纳米片分级结构，相应的元素映射显示Sn、Se和Fe元素分布均匀，Fe元素密度相对较低。HRTEM图像表明催化剂具有非晶/结晶SnSe/SnSe₂异质结构。Co9.0%-a/c-SnSe/SnSe₂和Ni9.0%-a/c-SnSe/SnSe₂也同样具有相似的纳米棒/纳米片分级结构。

Fe9.0%-a/c-SnSe/SnSe₂上乙醇的法拉第效率在−0.6 V时达到最大值61.5%。偏电流密度为20.3 mA cm⁻²。Co9.0%-a/c-SnSe/SnSe₂和Ni9.0%-a/c-SnSe/SnSe₂上乙醇的法拉第效率分别在−0.6 V和−0.5 V时达到最大值53.5%和52.5%，乙醇的偏电流密度分别为15.9和9.5 mA cm⁻²。Fe9.0%-a/c-SnSe/SnSe₂在−0.6 V下进行138 h时稳定性测试的结果表明，电解后Fe9.0%-a/c-SnSe/SnSe₂的乙醇的法拉第效率仍能保持在57.3%，电流密度维持在初始值的96.2%，表明Fe9.0%-a/c-SnSe/SnSe₂对CO₂RR为乙醇具有非常好的电化学稳定性。

原位漫反射傅里叶变换红外光谱和DFT计算表明，M²⁺离子掺杂取代SnSe/SnSe₂p-n异质结界面处的部分Sn⁴⁺离子，可以暴露更多的金属离子作为CO₂RR的活性位点，Se与掺杂的铁基过渡金属之间的p-d轨道杂化稳定了*CO*OH中间体，其中C原子结合在M²⁺掺杂SnSe/SnSe₂p-n异质结界面处的掺杂金属（Fe、Co或Ni）位点上，O原子与SnSe中的Sn位点结合，并增强了*CO的结合强度。当Fe或Co掺杂时，*CO被活化为*CHO*，然后与来自SnSe/SnSe₂上的一个游离的CO分子耦合形成*CO*CHO。而当Ni掺杂时，*CO直接与CO分子耦合生成*CO*C*O，随后再进一步加氢生成*CO*C*OH。经过多步质子耦合和电子转移，最终在M²⁺掺杂a/c-SnSe/SnSe₂上生成乙醇。

Fe9.0%-a/c-SnSe/SnSe₂纳米棒/纳米片分级结构作为最佳代表，应用于流动池中，−0.6 V时乙醇的法拉第效率为62.7%，偏电流密度为239.0 mA cm⁻²，电解40 h后法拉第效率和电流密度没有明显下降。此外，在膜电极组件（MEA）电解槽中，在3.0 V电压下，乙醇的法拉第效率为63.5%，分电流密度为201.2 mA cm⁻²，全电池能量效率为24.1%，并且连续工作20 h后乙醇的法拉第效率为60.6%，电流密度保持为初始值的94.5%，说明催化剂在MEA电解槽中CO₂RR具有显著的稳定性。

Prompting CO₂ Electroreduction to Ethanol by Iron Group Metal Ion Dopants Induced Multi-sites at the Interface of SnSe/SnSe₂ p−n Heterojunction