【催化】Nano Lett. ：用于高形成率的二氧化碳还原为甲酸盐的表面注氮工程- 大数跨境

首页

【催化】Nano Lett. ：用于高形成率的二氧化碳还原为甲酸盐的表面注氮工程

科学材料站

2020-07-18

导读：在本文中，作者强调了表面注氮工程为甲酸盐的二氧化碳还原带来了高的生成速率。这项表面工程成功地实现了对电催化剂的双重调制，增加了活性位点的曝光量，精确地调整了电子状态。

点击科学材料站,关注我们

通讯作者：吴长征*

单位：中国科学技术大学

延伸阅读

科学材料站月报#2：二氧化碳前沿科学

文章底部扫码进入SCI二氧化碳互助群

导读

尽管大量的研究集中在CO2电化学还原成甲酸盐上，但由于很难同时满足高活性和高选择性标准，甲酸盐的生成速率仍然受到严重阻碍。这种甲酸盐生成不足这严重阻碍了电催化还原CO2的应用前景和实际应用。

基于以上现状，中国科学技术大学的吴长征教授等在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Surface Nitrogen-Injection Engineering for High Formation Rate of CO2 Reduction to Formate”的论文。Han Cheng, Si Liu, Jingda Zhang共同为本文第一作者。

图1. 图片概要

在这项研究中，作者强调表面注氮工程能使二氧化碳还原成甲酸盐的速率高，这在已报道的电催化剂中是高水平的。表面注氮工程可以在增加活性中心数量的同时优化电子结构。以SnS2前驱体为例，最终获得的表面富N-Sn（S）纳米片的电流密度和法拉第效率分别是原始SnS2衍生Sn（S）纳米片的5倍和2.45倍的法拉第效率。

由于高活性和高选择性，甲酸盐的生成速率是原始样品的14倍，高达1358 μmol h-1cm-2。此外，该策略对其他金属硫化物如CuS和In2S3也具有普遍性。作者预期表面注氮工程将为二氧化碳还原反应用高级电催化剂的合理设计提供新的途径。

背景简介

1.甲酸盐在电催化中的危害

甲酸盐作为CO2电化学还原反应（CO2RR）的一种很有吸引力的液体产品，广泛应用于纺织、医药、制革等行业的原料，特别是作为燃料电池的氢载体，电催化还原CO2制备甲酸盐在经济上也是可行的。

2. 表面化学修饰在提高电催化性能的应用

最近的研究表明，表面化学修饰被认为是一种很有前途的提高电催化性能的方法。在电催化过程中，修饰和掺杂活性阴离子可以调节电催化剂的电子结构以提高电催化性能，而表面化学改性不会大幅度改变内体相的晶体结构，可以保持体偶件的高导电性和稳定性。

对于电催化CO2还原，表面阴离子改性通过调节活性中心的电子性质来靶向中间体引起了极大的兴趣吸附能和收获高选择性。为提高CO2RR的反应选择性科研人员已经付出了很大的努力；它们有限的电流密度仍然面临着巨大的挑战。通过有效的表面改性，很难精确地调节电子性质并同时增加活性位点。

这种不令人满意的特性导致CO2还原的生成速率受到高度限制，低于先前报告中的1000 μmol h-1 cm-2。在这方面，开发一种有效的电催化剂改性策略，以实现CO2转化的高生成率，这将是向前迈出的重要一步。

核心内容

在本文中，作者强调了表面注氮工程为甲酸盐的二氧化碳还原带来了高的生成速率。这项表面工程成功地实现了对电催化剂的双重调制，增加了活性位点的曝光量，精确地调整了电子状态。以SnS2前驱体表面注氮工程为例，最终得到的表面富氮Sn（S）纳米片（N-Sn（S））的电流密度提高了5倍，甲酸盐法拉第效率提高了2.45倍。

基于高电流密度和法拉第效率，甲酸盐的生成速率是原始样品的14倍，高达1358 μmol·h-1 cm-2，在所有已报道的电催化剂中处于较高水平。此外，表面注氮工程作为一种普遍而有效的方法被广泛应用于其它金属硫化物前驱体（CuS和In2S3）。作者的工作为先进的二氧化碳还原反应电催化剂的合理设计打开了一扇新的大门。

图二.

(a) CO2 adsorption isotherms for the N-Sn(S) and Sn(S) electrocatalysts;

(b) The electrochemical double layer capacitance (EDLC) measurements for N-Sn(S) and Sn(S).

(d) Calculated ΔG for CO2 conversion.

(e) Scheme of differential charge densities distribution of N-Sn(S). The increase electrons and the depletion zone were colored with the yellow and blue isosurfaces, respectively.

文章链接:

Surface Nitrogen-Injection Engineering for High Formation Rate of CO2 Reduction to Formate

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c02144

导师简介:

吴长征教授

中国科学技术大学化学系教授。1998年到2007年在中国科学技术大学化学系获得学士、博士学位(导师：谢毅教授)。从事无机固体化学领域，将无机化学和合成方法、能源材料的研究目标与固体物理的理论和研究技术相结合，在纳米固体的磁电输运和调制规律等方面形成了研究特色。已入选英国皇家化学会会士(RSC Fellow)、中组部青年拔尖人才(2015)、教育部青年长江学者(2015)、国家自然科学基金委优青(2012)等人才支持计划。主要研究低维度固体的电输运调制及能源应用领域。曾获得2014年度中国化学会青年化学奖，2012年度国家自然科学二等奖(第二完成人)，2012年度中国科学院卢嘉锡青年人才奖等多项奖励。相关研究成果以通讯/第一作者在化学与材料科学三大刊37篇(J. Am. Chem. Soc. (10)、Angew. Chem. Int. Ed. (12)、Adv. Mater. (15))、Nature Commun(5)、Phys. Rev. Lett.、Chem. Soc. Rev.(3)等国际知名刊物上发表论文100余篇。应邀为英国皇家化学会出版社编著二维材料领域书籍一部。并为Frontier of Physics客座编辑关于二维材料专刊。论文已被他引8000余次（H因子52）。现任Nature-Springer旗下Apllied Nanoscience杂志副主编，《中国科学化学》编委。