利用分子工程调控强金属氧化物-载体相互作用实现高效稳定的电化学CO2还原

利用可再生电力将二氧化碳电化学还原成有价值的燃料和化学品是二氧化碳循环利用的一种新兴技术。目前，虽然一些Sn基催化剂催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）对HCOOH具有较高的活性和选择性，但部分电流密度和稳定性仍不尽人意。因此，开发具有高活性、高选择性、长时间稳定、能提供高电流密度输出的电催化剂具有十分重要的意义。

在多相催化研究中，SMSI效应在上世纪70年代末被首次发现并定义，强金属-载体相互作用 (SMSI) 被普遍认为是金属和过渡金属氧化物之间的相互作用。特别是在热催化方面,它可以提高催化剂的活性、选择性和稳定性。为了提高负载型金属催化剂的性能，SMSI的合成方法和对其催化机理的理解取得了长足的进展。然而，利用这种SMSI效应提高电化学CO₂RR的研究很少。除了金属氧化物载体外，多孔碳还常被用作低成本、可控制备的CO₂RR催化剂载体。尽管已有报道表明，N或S掺杂的碳负载催化剂表现出了较好的催化性能，但碳基催化剂中的SMSI效应却很少被报道和揭示，特别是对于CO₂RR。

基于此，中科院化学所胡劲松（点击查看介绍）课题组利用分子工程调控强金属氧化物-载体相互作用实现高效稳定的电化学CO₂还原。具有类似物理性质的未掺杂、N掺杂、S掺杂和N、S共掺杂多孔碳载体 (分别表示为C、NC、SC和NSC) 可实现3.5 nm SnO₂纳米颗粒的高密度负载 (约60 wt.%)，为了解强金属氧化物-载体相互作用 (SMOSI) 及其对电催化性能的影响提供了一个极好的平台。系统的实验（XPS、UPS、DTA和in-situ XRD）和理论研究发现SnO₂纳米颗粒与掺杂碳载体之间存在着强金属氧化物-载体相互作用 (SMOSI)，且SMOSI顺序为 SnO₂/NSC > SnO₂/NC > SnO₂/SC > SnO₂/C，SMOSI可以使电子从载体有效地转移到SnO₂ NPs上，使带负电荷的SnO₂表面利于对CO₂和CO₂^•-的吸附，从而促进CO₂RR的催化活性和选择性。因此，具有最强SMOSI的SnO₂/NSC在CO₂还原为HCOOH的过程中展示出最高的选择性，FE最高可达94.4%，部分电流密度高达56.0 mA cm^-2，表现优于大多数Sn基催化剂。同时，SMOSI显著提高了SnO₂/NSC上的CO₂RR稳定性。值得注意的是，SMOSI还能同时保护活性位点，从而显著提高其催化耐久性，成为探索高效稳定催化剂的一种有前景的策略。

这一成果近期发表在ACS Catalysis上，文章的第一作者是中国科学院化学研究所博士研究生苑陆攀。

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Molecularly Engineered Strong Metal Oxide–Support Interaction Enables Highly Efficient and Stable CO₂ Electroreduction

Lu-Pan Yuan, Wen-Jie Jiang*, Xiao-Long Liu, Ye-Heng He, Chao He, Tang Tang, Jianan Zhang, Jin-Song Hu*

ACS. Catal., 2020, 10, 13227-13235, DOI: 10.1021/acscatal.0c03831

导师介绍

胡劲松

https://www.x-mol.com/university/faculty/15509