董帆教授， CEJ论文：In2O3/InN异质结界面工程助力高效电催化CO2还原产甲酸- 大数跨境

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董帆教授， CEJ论文：In2O3/InN异质结界面工程助力高效电催化CO2还原产甲酸

科学材料站

2022-02-26

导读：该文章通过调控热处理气氛构建一种新型In2O3/InN异质结，异质结界面形成的O-N通道可以有效促进电子从In2O3传输至InN表面并实现富集

文章信息

In₂O₃/InN异质结界面工程助力高效电催化CO₂还原产甲酸

第一作者：赵小丽

通讯作者：董帆*

单位：电子科技大学

研究背景

“双碳”战略倡导绿色、环保、低碳的生活方式。电催化CO₂还原生产具有附加值的化学品和燃料，对于缓解CO₂过量排放的问题，实现碳达峰和碳中和的目标，具有迫切的必要性和重要性。技术经济分析明确指出，双电子电化学CO₂还原产CO或甲酸最具有经济可行性。In基电催化剂在高效电催化产甲酸上表现出了独特的优越性，然而，催化效率及稳定性仍然不能满足实际应用需求。

基于此，本研究构筑了一种独特的In₂O₃/InN异质结，通过界面协同效应实现高效且稳定的电催化CO₂产甲酸。该工作为开发金属氧化物/氮化物异质结构催化剂提供了一种有效和通用的策略以实现高效率，高稳定性电催化CO₂还原产甲酸。

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文章简介

本文中，电子科技大学董帆教授课题组在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Interfacial Engineering of In₂O₃/InN Heterostructure with Promoted Charge Transfer for Highly Efficient CO₂ Reduction to Formate”的文章。

该文章通过调控热处理气氛构建一种新型In₂O₃/InN异质结，异质结界面形成的O-N通道可以有效促进电子从In₂O₃传输至InN表面并实现富集，进而可以有效活化CO₂分子，实现了在较宽的工作电压范围内高效催化CO₂还原产甲酸。同时作者通过DFT模拟计算与原位红外相结合，揭示了异质结催化剂电催化反应机理，为高效电催化反应产甲酸提供技术指导。

图1. In₂O₃/InN异质结电催化CO₂还原产甲酸机理图。

本文要点

要点一：新型In₂O₃/InN异质结合成

本文通过两步法成功构筑In₂O₃/InN异质结。首先采用水热法合成In(OH)₃前驱体，然后通过调控In(OH)₃热处理气氛，选择性制备了纯In₂O₃，InN或In₂O₃/InN异质结构。在空气气氛下退火，可形成均匀分散的In₂O₃纳米块。在N₂和NH₃混合气氛下，可分别得到In₂O₃/InN异质结或纯InN。

要点二：In₂O₃/InN异质结产甲酸性能

将三种材料应用于电催化CO₂还原，In₂O₃/InN异质结表现出优异的产甲酸性能。异质结最大产甲酸法拉第效率为95.7%，远高于纯In₂O₃(83.3%)和InN(79.0%)。此外，在-1.37~-1.59 V的工作电位范围内，In₂O₃/InN异质结甲酸法拉第效率均大于 95%，明显高于纯In₂O₃(~77%)和InN(~72%)。连续30h电催化反应后，异质结电催化CO₂还原活性和选择性几乎保持不变，具有良好的稳定性。

要点三：In₂O₃/InN异质结电催化CO₂还原反应机理

通过原位红外及DFT模拟计算表明，In₂O₃与InN界面上的O-N相互作用为电子传输提供通道，使电子顺利从In₂O₃传输至InN并在InN表面富集，促进CO₂分子的活化，降低生成*HCOO中间体的吉布斯自由能，并加强了与*HCOO在CO₂还原界面的结合，从而促进HCOOH形成。

此外，与纯In₂O₃和InN相比，In₂O₃/InN异质结能显著抑制产CO和析氢的竞争反应。本研究不仅揭示了异质结构界面的化学偶联效应，而且为各种电催化应用中金属氧化物/氮化物异质结催化剂的合理设计提供了新的指导思路。

图文简介

图2. (a) In₂O₃和In₂O₃/InN异质结构合成示意图，(b-d) In₂O₃/InN异质结的高分辨透射电镜和相应的滤波图像，(e-h) In₂O₃/InN异质结的EDS元素映射图。

图3. (a, c) In₂O₃和In₂O₃/InN纳米块的XRD和XPS图，(d) In₂O₃/InN的N 1s XPS光谱图，(e, f) In₂O₃/InN异质结的电子局域函数和差分电荷图。

图4. (a) 以5 mV s⁻¹扫描速率，获得In₂O₃和In₂O₃/InN的线性扫描伏安曲线，(b)不同电位下，In₂O₃和In₂O₃/InN的甲酸盐、CO和CH₄法拉第效率图，(c) In₂O₃和In₂O₃/InN甲酸盐电流密度图，(d, e) In₂O₃和In₂O₃/InN催化剂的电化学活性表面积测量和阻抗图，(f) 在-1.4 V / RHE电位下，In₂O₃/InN异质结的长期稳定性测试图。

图5. (a, b) In₂O₃和(c, d) In₂O₃/InN在CO₂饱和的0.1 M KHCO₃溶液中的原位ATR-SEIRAS光谱图，(e, f) In₂O₃和In₂O₃/InN异质结CO₂还原为(e) HCOOH和(f) CO的反应路径图。

文章链接

Interfacial Engineering of In₂O₃/InN Heterostructure with Promoted Charge Transfer for Highly Efficient CO₂ Reduction to Formate

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135114

通讯作者简介

董帆教授简介：2010年6月毕业于浙江大学，获得博士学位，香港理工大学访问学者，长期从事环境与能源催化、气体传感与净化材料等方面的研究。入选国家青年拔尖人才（2018年）、国家优秀青年科学基金获得者（2018年）、国务院政府特殊津贴专家（2019年）、四川省青年人才（2019年）、四川省杰出青年科技人才（2020年）、科睿唯安“全球高被引科学家”和Elsevier“中国高被引学者”等。迄今为止发表SCI论文300余篇，被SCI引用27000余次，H index为86。目前担任Chinese Chemical Letters和Environmental Functional Materials副主编，Science Bulletin、Chinese Journal of Catalysis、 ACS ES&T Engineering、物理化学学报等SCI期刊的编委。

第一作者简介

赵小丽博士简介：2019年12月毕业于重庆大学，获得材料科学与工程专业博士学位，主要从事纳米异质结设计、光伏电池及光电催化应用等方面的研究。在Chemical Engineering Journal、ACS Nano、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials等国际学术期刊上发表SCI论文25篇，其中以第一及通讯作者身份发表论文7篇，英文专著1篇，论文总计引用次数1043，H指数为16。