<progress id="umg0i"><li id="umg0i"></li></progress>

  • <thead id="umg0i"><legend id="umg0i"></legend></thead>

      您當前的位置:首頁 > 研究成果 > 研究進展

      中國科大研制在工業級電流下穩定還原二氧化碳制甲酸鹽催化劑

      時間:2021-10-08 16:22:02 來源:中國科大新聞網

        電催化二氧化碳還原(CO2RR)是CO2資源化利用的有效手段,同時為實現國家的“碳中和”戰略提供了有潛力的途徑。目前設計并研制的催化劑能有效催化CO2RR制備多種碳基燃料(如一氧化碳、甲酸和乙醇等)。經濟技術分析表明,甲酸(HCOOH)是未來最接近商業化的產物:當總電流密度>200 mA cm-2、法拉第效率>90%且能量轉換效率>50%時即可實現商業盈利。然而,當前設計的催化劑在高速率電解過程中會發生團聚、活性物質相變、元素溶解等現象,導致HCOOH選擇性迅速降低。因此,為了實現電催化CO2到HCOOH的工業級制備,必須研制活性和穩定性兼備的催化劑并理解相關穩定性機理。


        近日,中國科大高敏銳教授課題組與唐凱斌教授課題組合作,提出增強材料共價性來穩定催化劑結構的設想。研究人員在易脫硫的硫化銦中引入鋅,提高銦-硫鍵的共價性,有效抑制催化劑中活性成分“硫”的流失,從而在300 mA cm-2電流密度下穩定CO2電解60 h,甲酸產物選擇性保持97%左右。該成果以“Stabilizing indium sulfide for CO2 electroreduction to formate at high rate by zinc incorporation”為題在線發表在《自然·通訊》雜志上(Nat. Commun. 2021, 12, 5835)。論文共同第一作者是中國科大博士生池麗萍、牛壯壯和張曉隆。


        研究人員采用相同合成策略,在無鋅和有鋅條件下制備了In2S3和ZnIn2S4催化劑。所制備催化劑具有相同的形貌、尺寸和比表面積,保證了兩者性能的公平比較。如圖1所示,原子結構分析表明ZnIn2S4屬于(ZnS)mIn2S3(m = 1~3)體系,其中S和Zn(In)有序交替。沿[001]方向的原子序列是S-ZnT-S-InO-S-InT-S,其中ZnT和InT占據四面體配位,InO占據八面體位置。相比之下,In2S3中三分之一的四面體位點未被占用。


      /uploads/image/2021/10/08/8b13f92796bb92b8ec251336a7dad226.png


      圖1. 催化劑結構表征。


        電化學性能測試表明,在中性電解環境中(1 M KHCO3),鋅引入而形成的ZnIn2S4結構展現出更優的HCOO-法拉第效率和部分電流密度。特別重要的是,鋅的引入賦予ZnIn2S4卓越的催化穩定性:在未間斷的連續電解過程中,該催化劑能在工業級電流密度下(300 mA cm-2)穩定催化生成HCOO-達60 h,并且保持產物法拉第效率在97%左右。電解60 h后,檢測到的甲酸鹽總量約為327 mmol(圖2)。


      /uploads/image/2021/10/08/87e1e5b842aa6fc39aaa7dfaf7216fb9.png


      圖2. 1 M KHCO3中的CO2電解制甲酸鹽性能測試。


        研究人員對催化劑進行了嚴格地結構穩定性測試(圖34)。X射線衍射和掃描電子顯微鏡研究表明,即使在電流密度高達500 mA cm-2時,ZnIn2S4催化劑的物相和形貌依然得到很好的保持(圖3)。相比之下,In2S3在僅50 mA cm-2的電流密度下S則完全流失,轉變為金屬In相。同時,S流失帶來了形貌的完全坍塌。


      /uploads/image/2021/10/08/660938602ca972f5f2f1bb713392ecf1.png


      圖3. 鋅引入穩定催化劑物相和形貌結構。


        研究人員進一步利用X射線光電子能譜、STEM-EDX元素分析和ICP等分析技術,證實了In2S3在電解過程中發生了嚴重的S流失。相反,在60h的大電流CO2電解后,ZnIn2S4結構中每種元素(Zn、In和S)的含量和化學態幾乎沒有改變。選區電子衍射結果表明,在不同時間電解后,催化劑的單晶結構依然得以保持(圖4)。


      /uploads/image/2021/10/08/2ea49abc049ca38389b124e122d34ca8.png


      圖4. 鋅引入抑制催化劑中S元素流失。


        通過計算機模擬,研究人員發現在ZnIn2S4中,In(Zn)和S之間的鍵斷裂在動力學上是不利的,S元素溶解受阻,完美解釋了其大電流電解穩定性的內在機理。


        該工作提出了通過引入外來元素增強材料的共價性,提升催化劑的內在穩定性,從而為設計和創制在工業級電流下長時間服役的CO2RR制備甲酸鹽催化劑提供了新的思路。


        相關研究受到國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、安徽省重點研究與開發計劃等項目的資助。


        論文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-021-26124-y


      相關文章

      花漾视频下载app安装