华中科技大学翟天佑、刘友文团队， Angew. Chem.: 双金属硫化物原位相分离形成的强耦合异质界面促进CO2高效转化- 大数跨境

首页

华中科技大学翟天佑、刘友文团队， Angew. Chem.: 双金属硫化物原位相分离形成的强耦合异质界面促进CO2高效转化

科学材料站

2021-08-21

导读：该文章利用双金属硫化物在电还原过程中易发生相演变特性，构建了具有强耦合界面作用的异质结，揭示了双金属硫化物CO2RR真实活性位点并实现了在宽电势窗口范围内高效的将CO2电还原为甲酸。

文章信息

双金属硫化物原位相分离形成的强耦合异质界面促进CO2高效转化

第一作者：王文彬

通讯作者：刘友文*，翟天佑*

单位：华中科技大学

研究背景

双金属硫化物是一类在宽电势窗口内高选择性和高活性的实现电催化CO2还原(CO2RR)产甲酸的潜在明星材料。然而，硫化物材料在电催化反应过程中极易受环境（施加电势，电解液pH等）作用发生结构演变。

因此，现阶段还难以获得在宽电势范围内具有高效电转化性能的CO2RR双金属硫化物催化剂。此外，其易发生的结构重构特性，也对明确真实活性位点、阐明反应机理提出了挑战。

文章简介

鉴于此，来自华中科技大学的刘友文与翟天佑教授团队，在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed. 上发表题为“In Situ Phase Separation into Coupled Interfaces for Promoting CO2 Electroreduction to Formate over a Wide Potential Window”的文章。

该文章利用双金属硫化物在电还原过程中易发生相演变特性，构建了具有强耦合界面作用的异质结，揭示了双金属硫化物CO2RR真实活性位点并实现了在宽电势窗口范围内高效的将CO2电还原为甲酸。

该工作从原子结构出发，探究了双金属硫化物的真实催化活性中心，也为其它小分子在宽电势窗口范围内具有高效活性电催化剂的设计提供了借鉴。

图1. 双金属硫化物Cu2SnS3电催化CO2还原产甲酸的反应机理。

本文要点

要点一：实现宽电势范围高效产甲酸

该工作以双金属硫化物在CO2RR过程中发生原位结构演变为入手点，以Cu2SnS3双金属硫化物Cu2SnS3纳米片为前驱体，获得了同时在中性和碱性的电还原环境中都具有高产物选择性和宽电势范围内强适应性的电催化结构，从而在碱性的电还原环境中实现了在-0.6 V ~ -1.1 V的宽电势窗口范围内高效的将CO2电还原为甲酸。

图2. 双金属硫化物Cu2SnS3电催化CO2还原的反应活性。

要点二：揭示演变后结构为异质结核壳纳米片

通过球差电镜表征，作者发现双金属硫化物Cu2SnS3演变后的结构为SnO2@CuS/Cu2O异质结核壳纳米片，其核为CuS/Cu2O纳米片，壳层为SnO2纳米颗粒。

随后借助同步辐射X射线吸收精细结构光谱和X射线光电子能谱研究了异质结核壳纳米片的电子结构，证实了异质结界面处SnO2与CuS和Cu2O之间存在着的强电子相互作用，为Sn4+提供了在施加的高负电势时的强耐还原能力。

图3. 双金属硫化物Cu2SnS3电催化CO2还原后样品（R-Cu2SnS3）的球差矫正透射电子显微镜表征。

图4. 双金属硫化物Cu2SnS3电催化CO2还原后样品（R-Cu2SnS3）的同步辐射与XPS图谱表征。

要点三：阐明异质结界面的活性效应

通过理论计算证实了SnO2@CuS/Cu2O异质结界面作为双金属硫化物Cu2SnS3驱动CO2电还原为甲酸的真实活性位点，其通过界面处的电子从Sn4+到Cu+的自驱动定向流动，促使Sn4+倾向于电子离域的状态，从而增强了中间体HCOO*与H*结合的能力，提升异质结纳米片电催化转化CO2为甲酸的活性。

图5. DFT计算结果分析。

文章链接

In Situ Phase Separation into Coupled Interfaces for Promoting CO2 Electroreduction to Formate over a Wide Potential Window

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202110000

通讯作者介绍

刘友文，华中科技大学材料学院副教授，博士生导师。

主要研究方向在于二维电催化材料与器件。在此基础上以（共同）第一或通讯作者在Chem. Soc. Rev. (1), J. Am. Chem. Soc. (3), Angew. Chem. Int. Ed. (4), CCS Chem. (1), Chem (1), Adv. Mater. (1), ACS Nano (2) 和Adv. Energy. Mater. (3)等上发表论文22篇，其中4篇论文被ESI评为Highly Cited Papers，总引用次数1700余次。并获得中科院院长优秀奖等奖励。邀请报告9次，受邀讲学2次。

翟天佑, 华中科技大学二级教授。

材料成形与模具技术国家重点实验室副主任，2003年本科毕业于郑州大学化学系，2008年博士毕业于中国科学院化学研究所（导师：姚建年院士），2008-2012年在日本物质材料研究所先后任JSPS博士后（合作导师: Yoshio Bando教授）和ICYS研究员，2013年加入华中科技大学工作。主要从事二维光电材料与器件方面的研究工作，以第一/通讯作者在Chem. Soc. Rev. (4), Adv. Mater. (26), Adv. Funct. Mater. (37), Nat. Commun. (3), J. Am. Chem. Soc. (2), Angew. Chem. Int. Ed. (4) 等期刊上发表SCI论文200余篇（125篇IF>10），所有论文SCI引用>20000次，H指数76，2015/2018/2019/2020年四次入选全球高被引科学家，是万人计划科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、湖北省创新群体资助对象，曾获国家自然科学二等奖（5/5）、英国皇家化学会会士、中国化学会青年化学奖和湖北青年五四奖章等。现任《InfoMat》副主编，《科学通报》、《高等学校化学学报》、《无机材料学报》等7个期刊编委，兼任中国硅酸盐学会青年工作委员会副主任委员、中国材料研究学会青年工作委员会理事等。