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Chem. Asian J. :Zn-Sb双金属电催化剂促进二氧化碳转化为甲酸盐2022-12-29
目前,利用可持续能源以电化学方式将二氧化碳转化为增值燃料被认为是实现碳平衡和缓解能源危机的一种鼓舞人心和可行的策略。在众多产品中,甲酸被最近的技术经济分析认为是最具经济效益的产品之一,因为它不仅是化学工业的原材料,而且在储能领域具有二氧化碳和甲酸之间相互转化的碳循环概念。然而,电化学还原二氧化碳目前面临着过电位高、反应速度慢、选择性差、催化剂易失活以及环境不友好等难题,对于获得优良催化剂的研究还不够深入。

近日,上海大学霍胜娟课题组首次报道了一种新型Zn-Sb双金属材料,它能有效地电催化CO2生成甲酸。该策略是通过两种前驱体的两步水解沉淀法在轻度氧化碳纳米管(CNTs)上制备一系列ZnxSbyOz混合氧化物纳米颗粒。Zn2.33Sb0.67O4在CO2电还原过程中对甲酸的生成具有最好地促进作用。由Zn2.33Sb0.67O4原位电解形成的双金属Zn-Sb催化剂在中等过电位下甲酸盐的选择性高达92%,超过了所有的Sb基催化剂,与目前报道的甲酸盐催化剂水平相当。该催化剂改变了金属Zn将CO2还原为CO的固有特性,同时也克服了Sb的析氢反应特征。本工作开拓了Sb基高选择性甲酸电催化剂的研究范围,为多组分体系相互作用新型高效催化剂的设计提供了指导。

 

 

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图1. Zn-Sn双金属电催化剂促进二氧化碳转化为甲酸盐的ToC图

在电催化还原CO2过程中,由于金属-金属相互作用,Zn2.33Sb0.67O4在-1.0 V(相对于可逆氢电极)下的甲酸选择性可达92%,比纯ZnO和纯Sb2O3分别高出6.1倍和4.6倍,且具有更好的耐久性。相对于纯ZnO和纯Sb2O3,Zn2.33Sb0.67O4的Tafel斜率最低,说明该材料在CO2RR过程中的具有更快反应动力学(图2)。电子从Zn转移到Sb,降低了Sb的d带中心,提高了甲酸中间体*OCHO的稳定性。同时,材料上的*H减弱,HER的动力学势垒增加。

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图2. (a) 氩气和二氧化碳饱和的0.5 M KHCO3中ZnO、Sb2O3和Zn2.33Sb0.67O4的LSV曲线,(b)甲酸盐的法拉第效率,(c)甲酸盐的部分电流密度(jformate)和(d) Zn2.33Sb0.67O4与纯Sb2O3和ZnO比较的Tafel图。

文信息

Zn-Sb Bimetallic Electrocatalyst Enhances the Conversion of CO2 to Formate

Wenhui Liu, Wenjuan Li, Zhengrong Zhang, Zhiyuan Cao, Shengjuan Huo*

Chemistry – An Asian Journal

DOI: 10.1002/asia.202200873