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Green Carbon绿碳文章 │ 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

已有 598 次阅读 2025-7-30 17:12 |个人分类:Green Carbon|系统分类:科研笔记

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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Unveiling the relationship between structural evaluation and catalytic performance of InOOH during electroreduction of CO₂ to formate

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

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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

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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

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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

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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

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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

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