ChemCatChem：杂原子掺杂调制ZnO的局域电子特性和中间产物结合能用于高效电催化还原二氧化碳

由于化石燃料的过度利用，大气中的二氧化碳（CO₂）浓度急剧增加导致全球温室效应。电催化还原CO₂可以制备一氧化碳（CO）、甲酸和碳氢化合物等，为缓解环境问题和生产增值化学品提供了一种有前景的策略。在各种CO₂RR产品中，CO是甲醇生产和费托合成的重要基础原料。锌基电催化剂因其低成本被认为是一种极具前途的产CO的催化剂，但其较差的催化活性和选择性阻碍了进一步应用。杂原子掺杂被认为是提高电催化CO₂RR性能的一种有效策略，可以引入大量的活性位点并且改变电子结构，从而改变电催化还原CO₂中间体的结合能。根据Sabatier原理，最佳催化剂应与中间体具有适当的吸附强度。因此，改变锌基催化剂的电子结构以调整其与中间体的结合强度是提高电催化CO₂RR选择性和活性的有效途径。郑州大学许群教授课题组研究将具有不同电子结构的杂原子（Bi、Mn、Co）掺杂到氧化锌（ZnO）中的不同效应。实验和密度泛函理论（DFT）计算结果发现，掺杂原子的不同外部电子活性和电负性可以调节ZnO的局部电荷分布，改变ZnO与CO₂中间体的结合能，从而导致催化剂表现出不同的催化活性和选择性。由于ZnO具有较强的*H和*COOH结合能，主要产CO和大量的H₂。Bi掺杂能调节ZnO的局域电荷分布，降低*H和*COOH的结合能，同时增加*OCHO的结合能，从而显著抑制析氢反应(HER)和加速CO₂RR。具有高活性外层电子和不同电负性的Co和Mn掺杂的ZnO则呈现另外不同的性能：Co-ZnO催化剂增强了*H和*COOH中间体的结合能，导致CO产量降低，副产物H₂增加；Mn-ZnO催化剂虽然大大增加了*H和*COOH中间体的结合能，单过强的中间体结合能均抑制了CO和H₂的产生。

这项工作从实验和理论两方面研究了杂原子掺杂对催化剂本征电子特性的影响，在优化CO₂RR选择性和活性方面提供了新思路。

论文信息

Modulating the Local Electronic Property and Intermediate Binding Energy of ZnO by Heteroatom Doping for Efficient Electrocatalytic CO₂ ReductionXiaomin Cui#, Bo Gao#, Xiaoli Zheng*, Gaoxiang Zhang, Jing Wang, Jiahui Liu, Yining Chen, Qun Xu*

文章第一作者是硕士生崔晓敏和博士生高波，通讯作者是郑晓莉副教授和许群教授。

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202201076