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英文原题:Unveiling the relationship between structural evaluation and catalytic performance of InOOH during electroreduction of CO₂ to formate
作者:Caijun Deng, Chaofan Qi, Xiaomin Wu, Guohua Jing, Huawang Zhao*
01 论文信息
论文信息
C. Deng, C. Qi, X. Wu, et al. Unveiling the relationship between structural evaluation and catalytic performance of InOOH during electroreduction of CO₂ to formate[J]. Green Carbon 2024 2(1) 124-130.
论文关键词
Indium; Carbon dioxide reduction electrochemistry; Formic acid; Heterogeneous catalysis
论文网址
https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.02.003
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中文解读原链接
Green Carbon文章│华侨大学赵化望副教授:InOOH电催化CO₂产甲酸重构过程构效关系
02 背景简介
化石燃料燃烧导致二氧化碳过量排放,造成的温室效应引起气候变化等自然灾害。利用间歇性的绿色电能(如光电、风电等)将CO₂转化为高附加值的化学品,是实现碳中和的重要技术路径之一。由于较强的技术经济性,电化学CO₂还原(ECO₂RR)产甲酸是具有应用前景的绿色电能到燃料的转化技术。In基催化剂具有较高的电催化产甲酸活性和选择性。然而,电催化过程中催化剂会接受阴极电子而发生还原,催化剂结构发生变化。目前,In基催化剂电催化反应过程中的重构机制不清晰,阻碍了高性能ECO₂RR In基催化剂的理性设计。因此,建立电催化反应条件下In基催化剂重构过程的构效关系十分重要。
近期,华侨大学赵化望副教授在Green Carbon上发表标题为“Unveiling the relationship between structural evaluation and catalytic performance of InOOH during electroreduction of CO₂ to formate”的研究文章。选择InOOH作为模型催化剂,研究了InOOH催化剂在ECO₂RR反应中的结构变化,关联相应的产甲酸性能,解析了催化剂电催化产甲酸的构效关系,为高性能In基催化剂的设计提供了理论基础。
03 文章简介
电催化CO₂产甲酸性能
图1. InOOH在-1.0 V vs RHE下不同CO₂还原反应时间的总电流密度及其所有产物的法拉第效率
随着反应的进行,产甲酸电流经历了上升、稳定以及下降的过程,表明催化剂经历了先活化后失活的过程。
InOOH催化剂的结构变化
图2. 催化剂的结构变化
经过2400s,4800s以及7200s的ECO₂RR反应后,InOOH催化剂转变为In团簇/InOOH,In/InOOH异质结构以及金属In。
催化剂电子性质的变化
图3. 催化剂的XPS(a)、巴德电荷(b)、Tafel(c)以及EIS测试(d)
In团簇/InOOH表面电荷分布发生了变化,电子从In流向InOOH,使得InOOH中电子富集。In团簇/InOOH的体电阻(Rs)和界面电荷转移电阻(Rct)更小,表明其反应的电荷转移速率更快,有利于CO₂在ECO₂RR中的活化。
构效关系的DFT模拟
图4. In团簇/InOOH、In/InOOH异质结构和金属In上ECO₂RR到甲酸的吉布斯自由能图
In团簇/InOOH催化剂独特的电子结构减少了*OCHO在In位点加氢生成*HCOOH所需要的能量,加速了ECO₂RR产甲酸的速率。
总结及展望
本文研究了CO₂电还原过程中的结构转化过程,揭示了InOOH从In团簇/InOOH到In/InOOH异质结构,最后到金属In的结构转变过程。不同结构赋予催化剂表面In原子不同的电子态,影响催化剂对CO₂吸附和中间体的转化。通过探究催化剂中间体结构和电催化产甲酸性能的匹配规律,建立了InOOH催化剂电催化重构过程的构效关系。
04 文章摘要
Abstract
The electrochemical CO₂ reduction reaction (ECO₂RR) to formate is perceived as a technoeconomic pathway for transforming renewable electricity into fuels. However, the indeterminate mechanism underlying structural self-reconstruction obstructs the strategic design of a high-performance In catalyst for the ECO₂RR. In this study, we chose InOOH as the model catalyst to illustrate the dynamic structure of In-based catalysts during reconstruction in the ECO₂RR. The findings of the current study indicate that the in situ electrochemical reconstruction of crystalline InOOH results in the creation of crystalline In clusters/InOOH, followed by In/InOOH heterostructures, and finally, metallic In over time. The efficiencies of the different phases conformed to the sequence: In clusters/InOOH > In/InOOH heterostructures > metallic In. This progression leads to a continuous drop in maximum current density and Faradaic efficiency from 29.6 mA/cm² and 87% to 6.3 mA/cm² and 75%, respectively with time extending to 7200 s, at –1.0 V relative to the reversible hydrogen electrode. Our in situ characterization and theoretical studies highlighted the crucial role of the In-cluster/InOOH interface in CO₂ activation and conversion.
05 作者简介
赵化望 副教授
赵化望,工学博士,副教授,硕士生导师,任职于华侨大学化工学院。曾在天津大学、密歇根大学化学工程系从事环境与能源催化研究。目前专注于机动车尾气排放控制、CO₂转化、海水制氢领域的催化剂开发和基础研究。
06 Green Carbon
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