DOI：10.1002/adfm.202209114
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本文运用焦耳热处理方法调控分级氧化铟纳米片界面氧物种，结合后续的原位电化学还原过程制备了金属/金属氧化物异质结构（In/In2O3-1600），并揭示了界面结构氧物种的设计规律。该In/In2O3-1600催化剂具有优异的二氧化碳还原催化性能，在-1.0 V电位下完成94%的合成甲酸效率，并在-0.5 ~ -1.0 V宽电位区间内完成接近100%的C1产物法拉第效率，优于大多数先进的铟基电催化剂。结合原位光谱表征和理论计算结果揭示，异质界面稳定的In-O物种能够显著调控d带电子结构，加速电极表面吸附的单齿碳酸盐物种的质子化过程，从而提高电催化性能。同时，耦合太阳能驱动的CO2-H2O全电池也表现出优异的能量转换效率（13.4%）。焦耳热处理方法调控界面结构设计及电催化机理研究对于优化催化性能具有重要指导意义。
背景介绍
化石燃料的过度消耗导致大气中二氧化碳等温室气体含量不断增加，引发了许多环境问题，包括全球变暖和海水酸化等。电催化还原二氧化碳为高价值的化学品和有机燃料，既能减少温室气体又能减轻对传统化石能源的依赖，为实现绿色可持续发展提供了一个非常有前景的策略。特别地，它能与风能、潮汐能、太阳能等可再生资源直接整合，实现绿色“零碳”循环发展。
研究出发点
铟基电催化剂具有环境友好、成本相对较低等优点，是电催化还原二氧化碳的理想电极材料，但仍存在电流密度小、稳定性差等问题。调控催化剂的氧物种结构，探究其表面性质与催化活性之间的内在关系，对提高电催化性能具有重要意义。但在CO2RR苛刻的还原过程中，表面氧物种结构极易被还原，难以在负电位下稳定存在。考虑到表面氧物种的潜在影响，设计稳定的氧物种结构以对抗苛刻的电化学还原过程并揭示其催化性能与机理具有重要研究意义。
图文解析
首先，利用焦耳热处理方法对金属表面氧物种进行调控，结合后续的原位电化学还原过程，实现了金属/金属氧化物异质结构的可控制备。如图1所示，原位转变的In/In2O3-1600电极具有三维分级多孔结构，在其表面观察到明显的铟和氧化铟异质界面，元素面扫图进一步确认了铟和氧的均匀分布。
利用XRD, 原位Raman，XPS等手段进行结构和组分的表征。如图2所示，不同温度焦耳热处理制备的In2O3电极结构存在明显差异，与In/In2O3-800相比，In/In2O3-1600和In/In2O3-2400电极的氧物种含量更高。
图3的CO2RR性能测试表明，In/In2O3-1600在-1.0 V时表现出最高的HCOOH法拉第效率（FEHCOOH）约为94%。在-0.5 ~ -1.0 V的宽电位区间内，FEC1接近100%，其电流密度在-1.2 V接近250 mA cm-2，超过了大多数先进的铟基催化剂。
利用原位红外光谱识别关键的反应中间体HCOO*，确认CO2RR的反应路径。原位Raman光谱确认其催化活性中心（图4）。结合理论计算结果表明，由金属表面氧物种形成的异质结构能够显著调控d带电子结构，降低反应吉布斯自由能，加速反应中间体质子化过程，从而实现高效电还原CO2。
鉴于该电极具有出色的CO2RR电催化活性，我们组建了由太阳能电池驱动的CO2-H2O全电解装置，通过优化催化剂的载量，使其与太阳能电池的最大功率点匹配，实现优异的太阳能到甲酸的转化效率（13.4%）。
总结与展望
本文运用焦耳热处理方法和原位电化学还原实现了In/In2O3异质结构的可控制备。伴随氧物种动态演化所生成的异质界面，优化的In/In2O3电极在-0.5到-1.0 V的宽电位范围内表现出优异的二氧化碳还原催化性能，合成甲酸盐和C1产物的法拉第效率分别为94%和≈100%。半原位XRD和原位Raman光谱进一步证实氧物种在调节表面化学性质方面的关键作用。结合原位红外光谱和理论计算结果显示，In-O物种形成的异质界面能够显著调控d带电子结构和表面化学性质，并通过快速的电子转移过程以优化反应中间体的电催化转化。同时，组装的太阳能驱动CO2-H2O全电池显示了高的太阳能转换效率。该工作通过理解表界面化学性质设计高效电催化剂，并展示了可再生能源综合利用的巨大潜力。
论文信息
Wulan B, Cao X, Tan D, et al. To Stabilize Oxygen on In/In2O3 Heterostructure via Joule Heating for Efficient Electrocatalytic CO2 Reduction. Advanced Functional Materials, 2022, 2209114.
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202209114
课题组长简介
张进涛 教授（博导）,山东大学化学与化工学院，物理化学电化学研究所,曾入选山东省“泰山学者”青年专家、海外高层次人才项目、省杰青。担任电化学、Nano Research、eScience、Chinese Chemical Letters等期刊青年编委。该课题组围绕界面电化学与原位表征技术中的关键科学问题，开展新型电极材料表界面功能化设计与电化学能源转换机理方面的研究工作。至今已在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Science Advances、Energy & Environmental Science等国内外期刊发表SCI论文90余篇，被引用13 000余次（H-index 为53）。
研究方向：
以电化学方法和技术为基础，对能源转换界面电化学的基础科学问题进行实验探索与理论阐释，理解电极结构与性能间的构效关系，构建高效、清洁能源转换器件。包括以下研究方向：
（1）能源转换界面的理性设计与性能优化。结合原位光谱技术揭示复合材料的储能机理，指导新型复合储能材料的制备及其应用（如金属空气电池、锂-碘电池、超级电容器等）；
（2）非贵金属催化剂的创新性合成与应用。设计合成高催化活性的多功能催化剂，用于金属空气电池、电化学二氧化碳还原、燃料电池、电解水等。
课题组招收电化学、能源材料化学、界面电化学方向博士后和科研助理
岗位待遇：
1. 根据研究背景及成果，年薪20-40万，课题组将根据个人工作能力和科研成果给予科研奖励
注:（1）具有良好科研背景的博士后入站后可直接给予10万元绩效，优秀博士后出站可以留校任教；（2）如果对待遇有任何想法，非常欢迎提出你自己希望的薪资待遇；
2. 提供优良的工作环境，享受五险一金，其它福利待遇参照正式职工；
3. 作为负责人积极申请国家自然科学基金及省、市各级课题；
4. 表现优异且有意在山东大学继续发展者，可聘为助理研究员或副研究员。符合条件的可以申请山东大学齐鲁青年学者等获得相应人才补贴。
联系方式：
课题组网站：
https://faculty.sdu.edu.cn/ees/zh_CN/index.htm
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