中国科学技术大学
催化剂的结构表征
信用:迟立平等
电催化二氧化碳还原是二氧化碳资源化利用的有效手段
目前开发的催化剂可以有效催化CO2RR制备多种碳基燃料，如甲酸(HCOOH)，未来最有可能商业化
然而，目前的催化剂在高速电解过程中存在颗粒团聚、活性相变和元素溶解，导致羟基乙酸选择性迅速下降
要实现电催化CO2转化为HCOOH的工业化制备，有必要开发兼具活性和稳定性的催化剂
由教授领导的研究小组
中国科学院中国科学技术大学的高敏瑞通过增强材料的共价性来稳定催化剂结构
使用所获得的硫化铟催化剂，甲酸产物的选择性可保持约97%
这项工作发表在《自然通讯》上
研究人员通过在硫化铟中引入锌，提高了铟硫键的共价性，有效抑制了催化剂中活性组分硫的损失
利用相同的合成策略，他们制备了In2S3和ZnIn2S4催化剂以探索其效率
电化学性能测试表明，在中性电解环境下，锌调制的ZnIn2S4结构表现出很高的HCOO-法拉第效率和部分电流密度
特别地，锌的加入使得ZnIn2S4具有优异的催化稳定性
在不间断连续电解过程中，该催化剂能在工业电流密度下稳定催化60h以上HCOO-的形成，法拉第效率保持在97%左右
此外，研究人员对催化剂进行了严格的结构稳定性测试
通过X射线衍射和扫描电子显微镜，他们发现即使当电流密度相对较高时，ZnIn2S4催化剂的相和形态也得到很好的保持
而In2S3完全转变为金属In，S在相对低的电流密度下完全消失
在这种情况下，S的损失导致了整个结构的坍塌
他们还使用X射线光电子能谱和STEM-EDX元素分析来确认电解过程中In2S3的严重损失
相反，ZnIn2S4结构中各元素(Zn、ln和Si)的含量和化学状态几乎没有变化
借助于计算机模拟，他们发现在ZnIn2S4中，in(Zn)和S之间的键断裂在动力学上是不利的，并且S元素的溶解被阻止
该模拟结果解释了大电流电解稳定性的内在机理
该工作通过引入外来元素来提高材料的共价性，从而提高了催化剂的内部稳定性，为长时间工业制备CO2RR催化剂的设计和创造提供了新的思路
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