南京工业大学吕刚/黄晓&台州学院李公强,最新Angew:氧化石墨烯纳米片包裹硫化锡纳米催化剂以促进CO₂电还原制甲酸

该研究通过用氧化石墨烯（GO）纳米片包裹硫化锡（SnSₓ）纳米颗粒，实现了高活性、高选择性和高稳定性CO₂电化学还原为甲酸的方法。

GO包裹有助于保持SnSₓ的晶体尺寸（2~4 nm）并限制硫原子在SnSₓ中的流失，从而获得一种有前景的催化剂。因此，在流动池中实现了对甲酸的高电流密度126.25 ± 0.78 mA cm⁻²和高法拉第效率（FE）99.9 ± 1.1%。在膜电解槽中，电流密度可进一步提高至554.41 ± 2.32 mA cm⁻²。此外，该催化系统在安培级电流下表现出超过50小时的高稳定性。

这一发现为进一步开发用于CO₂电化学还原为高价值含碳产品的高效、高选择性催化剂提供了宝贵见解。该研究策略也可能适用于保持许多其他非晶或纳米晶催化剂的结构，以实现高效稳定电催化。

该研究通过用氧化石墨烯（GO）纳米片包裹非晶态/超细硫化锡（SnSₓ，x ≈ 2）纳米催化剂，制备了SnSₓ/GO复合材料，对这一假设进行了验证。GO包裹有助于防止SnSₓ发生电化学还原以及大尺寸Sn纳米颗粒的晶体生长。更重要的是，在CO₂ER过程中，SnSₓ/GO内部的S原子可以被（至少是部分地）限制。

GO可以被化学还原为还原氧化石墨烯（rGO），以调控质量传输。最终，在CO₂ER过程中，SnSₓ/GO上的电流密度可以得到大幅提升。同时，甲酸的FE也得到了显著改善。

SnSₓ/GO表现出超过50小时的高催化稳定性。SnSₓ/GO催化性能的提升可归因于GO诱导的S原子保留以及富硫Sn基催化剂上有利的甲酸盐反应路径。

图1 SnSₓ和SnSₓ/GO的表征

(a, c) SnSₓ和SnSₓ/GO的HRTEM和SAED图像。(b, d) SnSₓ和SnSₓ/GO的HRTEM图像和衍射图谱。(e) SnSₓ/GO的EDS元素分布图。(f) SnSₓ和SnSₓ/GO的拉曼光谱。(g) SnSₓ和SnSₓ/GO的XRD图谱。(h–i) SnSₓ和SnSₓ/GO的XPS Sn 3d和S 2p峰。

图3 SnSₓ/GO催化增强的机理研究

(a, b) SnSₓ和SnSₓ/GO在第1次、第50次和第100次循环时的CV曲线。测量在CO₂饱和的0.5 M KHCO₃中进行，扫描速度控制为50 mV s⁻¹。(c) 电化学活化后SnSₓ和SnSₓ/GO的XRD图谱。(d) 电化学活化前后SnSₓ和SnSₓ/GO中的S:Sn原子比。这些比率通过ICP-OES获得。(e, f) 电化学活化后SnSₓ和SnSₓ/GO的XPS S 2p和Sn 3d峰。(g) 电化学活化前后SnSₓ/GO的水接触角（WCA）。(h) 原始SnSₓ和SnSₓ/GO以及电化学活化后的电化学活性面积（ECSA）。(i) 电化学活化后SnSₓ和SnSₓ/GO的TEM图像。(j) 电化学活化后的颗粒尺寸变化。(k) 通过EIS测量得到的SnSₓ和SnSₓ/GO在电化学活化前后的界面电荷转移电阻。(l) 示意图说明电化学活化过程中SnSₓ/GO的结构变化。

https://doi.org/10.1002/anie.3823676

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