郝青丽教授、雷武教授， CEJ观点：晶面边界和载体界面作用双重调控促进SnO2高效电催化还原CO2

第一作者：吴宗燈

通讯作者：雷武*，郝青丽*

单位：南京理工大学

随着工业的发展，化石燃料的过度使用引发CO₂的排放量增加导致全球变暖，自然环境被破坏。而利用可再生能源（如太阳能、风能等）驱动CO₂电催化还原为高价值的化学原料是一种潜在的实现人工碳循环的有效方案。CO₂分子稳定，反应动力学缓慢，因此探索开发高效的电催化剂则至关重要。

二氧化锡因价格低廉、无毒害且能够在中等过电位下催化还原CO₂产甲酸（pH＞3.8产甲酸盐）而受到了广泛的研究和关注。对于SnO₂ 电催化还原CO₂产甲酸的选择性以及稳定性等依旧需进一步的改善，该文章基于设计合理的策略对SnO₂纳米材料进行调控促进催化性能提升展开了研究。

基于此，来自南京理工大学的郝青丽教授和雷武教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Grain Boundary and Interface Interaction Co-regulation Promotes SnO2 Quantum Dots for Efficient CO2 Reduction”的研究论文。该文章同时采用载体界面的电子结构调控以及构建丰富的SnO₂晶面边界两种策略对其催化性能进行调控并取得了高效的催化性能。

图1. 富晶面边界的SnO₂/NC电极电催化还原CO₂的示意图

构建具备丰富孔道以及大比表面积的氮掺杂碳载体，有利于高效负载SnO₂且能够抑制其团聚。其中NC载体与SnO₂之间有着强的相互作用，进而促进Nx-C位点与SnO₂之间产生电子的偏移，SnO₂的表面电子分布密度增加能够增强对CO₂的吸附能力，促进还原反应的进行。在实验方面通过XPS分析能够看出SnO₂和SnO₂/NC中的Sn 3d结合能发生明显的偏移，证明了样品表面的电子结构变化。

此外，利用理论模拟对SnO₂和SnO₂/NC进行表面静电势模拟，得出复合材料中SnO₂的表面电子分布密度增加且更加有利于对CO₂分子的吸附。

图2. （a）样品的XRD图谱和（b）Raman图谱，（c）SnO₂/NC的N 1s高分辨XPS，（d）SnO₂和SnO₂/NC的Sn 3d的高分辨XPS

图3. （a）纯的SnO₂团簇与SnO₂/NC的表面静电势分布（颜色由蓝到红表示电荷由负到正），（b）SnO₂团簇以及（c）SnO₂/NC对CO₂分子的吸附模型

要点二：富晶面边界SnO2的制备

SnO₂晶面边界附近的局部空间被破坏，能够更好地吸附反应中间体HCOO*，因此，晶面边界是还原CO₂转换的重要活性中心。本文中利用调控SnO₂在碳载体上的负载状态得到具备高暴露晶面边界的SnO₂，进而使得复合材料的催化性能显著提升。

图4. 不同分辨率的（a）NC以及（b-d）SnO₂/NC的TEM图片，（e）SnO₂/NC的HRTEM图片，（f）图e中标识区域对应的局部放大图，（g, h）SnO₂/NC的HRTEM，（i）SnO₂/NC的选区电子衍射花样

要点三：双策略协同促进高效的CO2还原

Nx-C与SnO₂之间强的相互作用使得SnO₂/NC的电子结构发生改变，更加有利于对CO₂的吸附，而具有丰富晶面边界的SnO₂展现出高活性，促进CO₂还原转化为甲酸盐。此外，中空多孔的SnO₂/NC有利于电解液的渗透，提高传质速率。在催化性能方面，SnO₂/NC电极能够在-1.13 V vs. RHE下，甲酸盐的选择性高达87.6%。

图5. （a）SnO₂/NC, SnO₂以及NC的LSV曲线，（b）FEformate，（c）FECO，（d）FEH2，（e）甲酸盐的部分电流密度以及（f）SnO₂/NC电极产甲酸盐效率与最近报道的Sn基催化剂对比

综上，该工作以简单的实验模型实现了电子结构调控以及活性位点精确构建的双重策略促进SnO₂的电催化性能，这为研究高效以及制备工艺简单的纳米催化剂提供了新的思路。

Grain Boundary and Interface Interaction Co-regulation Promotes SnO₂ Quantum Dots for Efficient CO₂ Reduction

郝青丽教授简介：南京理工大学化学与化工学院教授，博士生导师。德国雷根斯堡大学化学博士，南京理工大学工学博士。曾入选教育部新世纪优秀人才、江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人、江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科技领军人才、江苏省省六大人才高峰、江苏省高校优秀科技创新团队带头人等人才计划。担任Microchimica Acta、Universal Journal of Electrochemistry期刊编委。

作为项目负责人，先后主持国家重点研发计划、国家自然科学基金国合重点等省部级以上项目20余项，合作出版中文著作1部，参编英文著作2部。发表SCI学术论文210余篇，他引7000余次。曾获省部级科技奖励一等奖2项。主要研究方向：新型功能纳米复合材料的可控制备、微/纳米结构的设计和组装，以及在能源与环境领域的应用研究。

吴宗燈，南京理工大学化学与化工学院2018级博士生，主要研究方向为功能纳米材料的制备及其在能源转换领域的应用。目前以第一作者身份发表SCI论文4篇。

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