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Nano-Micro Letters (2021)13: 189 https://doi.org/10.1007/s40820-021-00703-6 2. 原位XAS和FT-IR揭示表面氧掺杂促进了CO₂活化,并增强了对HCOO*反应中间体的亲和力。 3. 表面氧改性的SnS₂纳米片对碳质产物的法拉第效率为91.6%,包括83.2%的甲酸盐和16.5%的CO/H₂合成气(比例为1:1)。 图1. 原始SnS₂ (a)和SnS₂₋ₓOₓ (b)模型的俯视图和侧视图。SnS₂ (c)和SnS₂₋ₓOₓ (d)的DOS。 采用溶剂热法与高温热解法相结合的策略,在SnS₂纳米片阵列表面原位注入氧。如图2所示,首先通过溶剂热法在碳纸表面生长了均匀SnS₂纳米片阵列,然后在马弗炉中加热一段时间生成SnS₂₋ₓOₓ。通过SEM和TEM可以观察到SnS₂纳米片均匀的生长在碳纸上。HR-TEM显示,SnS₂₋ₓOₓ的晶格间距为0.32 nm对应于SnS₂的(002)晶面,从而证实所获得的SnS₂₋ₓOₓ纳米片保留了其原始晶体结构。此外,采用傅里叶变换(FT) k2加权扩展XAFS (EXAFS)谱的Sn K边进一步揭示了表面注氧对原子级Sn局部电子结构的影响。与SnS₂/CC相比,SnS₂₋ₓOₓ/CC的Sn K-edge FT-EXAFS曲线在1.49 Å处出现了一个新峰,这归因于Sn-O配位(图2g)。通过定量EXAFS曲线拟合分析,证实SnS₂₋ₓOₓ/CC的Sn-S配位数为4.3,小于原始SnS₂/CC的配位数(6.0),证实Sn-O的配位数为2.1,进一步确认表面注氧成功取代了S原子。此外,Sn K-edge EXAFS振荡的小波变换(WT)在SnS₂₋ₓOₓ/CC的 4.3 Å⁻1和8.2 Å⁻1附近表现出强度最大值,分别与Sn-O和Sn-S贡献相关。总之,表面氧的成功注入有效地调控了SnS₂的局域电子结构。 图2. (a) SnS₂₋ₓOₓ纳米片制备示意图。(b) SnS₂₋ₓOₓ/CC的SEM图像。(c) SnS₂₋ₓOₓ纳米片的TEM图像。(d, e) SnS₂₋ₓOₓ纳米片的HR-TEM图像和同源FFT模式(e中的插图)。(f) 单个SnS₂₋ₓOₓ纳米片的HAADF-STEM和STEM-EDX元素映射图像。(g) 来自EXAFS的Sn foil、SnS₂、SnS₂₋ₓOₓ和SnO₂的Sn K边的傅立叶变换光谱。 采用三电极H-电解池在CO₂饱和的0.5 M KHCO₃中评估了三种Sn基催化剂的电催化CO₂还原活性。线性扫描伏安曲线显示SnS₂₋ₓOₓ/CC表现出比原始SnS₂/CC更高的电流密度,证实表面氧注入有效地增强了SnS₂/CC的电催化活性。特别是,SnS₂₋ₓOₓ/CC的几何电流密度达到19.68 mA cm⁻2,比原始SnS₂/CC在-0.8 V vs RHE的过电位下高2.7倍(图3a)。图3b分别展示了含碳产物(CO和甲酸盐)的部分电流密度。在所有施加的电位下,SnS₂₋ₓOₓ/CC在三种电催化剂中表现出最大的电流密度,证明了高的CO₂电还原的活性。如图3c所示,SnS₂₋ₓOₓ/CC在三种电催化剂中对碳质产物显示出最高的法拉第效率(FE),而原始SnS₂/CC表现出最低的FE值。在-0.9 V vs RHE下,SnS₂₋ₓOₓ/CC的碳质产物的FE为91.8%,包括83.5%的甲酸盐和16.5%的的合成气(H₂/CO比为1:1)。此外,所制备的SnS₂₋ₓOₓ/CC在10小时恒电位试验中显示出优异的耐久性,电流密度衰减小于3%,甲酸和CO的FE保持稳定在-0.9 V vs RHE(图3d)。上述结果表明,SnS₂₋ₓOₓ/CC是一种有前景的催化剂,可用于持续生产甲酸盐和合成气。 图3. (a) SnS₂/CC、SnS₂₋ₓOₓ/CC和SnO₂/CC上的几何电流密度。(b) SnS₂/CC、SnS₂₋ₓOₓ/CC和SnO₂/CC上碳质产物的电流密度。(c) SnS₂/CC、SnS₂₋ₓOₓ/CC和SnO₂/CC上甲酸盐、H₂和CO生产的法拉第效率。(d) SnS₂₋ₓOₓ/CC上碳质产物的几何电流密度(j)和法拉第效率与时间的关系图。 IV 原位XAFS和SR-FITR研究及DFT计算 此外,进一步采用原位同步辐射傅里叶变换红外光谱来研究SnS₂₋ₓOₓ/CC在CO₂RR过程中的催化机制。如图4c所示,m-CO₃2⁻官能团出现在~1520 cm⁻1的处,表明随着施加电压的降低,更多的CO₂吸附在催化剂表面。同时,在~1694 cm⁻1的FTIR光谱中出现了一个新的特征峰(CO₂•⁻),并且随着施加电位的降低,峰的强度不断增加,表明吸附在催化剂表面的CO₂分子被激活,在反应过程中转化为 CO₂•⁻。同时,随着阴极电位的降低,~1541 cm⁻1 (HCOO⁻)处的峰值强度增加,进一步证实了CO₂•⁻优异的质子捕获能力。考虑到~1354 cm⁻1和~1660 cm⁻1处的峰归因于HCOO*中间体的对称振动,这对应于CO₂电还原的关键中间体或产物。基于分析,SnS₂₋ₓOₓ/CC从CO₂到HCOOH转化的电还原途径被提出(图4d)。 采用DFT计算进一步来阐明表面氧注入对SnS₂的催化活性提高的本质。如图4e所示,对于SnS₂和SnS₂₋ₓOₓ,进一步证实HCOO*的形成是甲酸盐的限速步骤,这与Tafel斜率的结果一致。对于SnS₂₋ₓOₓ,HCOO*形成的吉布斯自由能为0.97 eV,远低于原始SnS₂ (1.31 eV),表明表面注氧增强了CO₂的活化,并相应地促进了HCOO*的形成。值得注意的是,HCOO*的态密度与SnS₂₋ₓOₓ中Sn(5p)的轨道重叠更多,并且HCOO*的高占据态接近费米能级,表明HCOO*与SnS₂₋ₓOₓ具有更强的相互作用。此外,电荷密度差异计算还表明,更多的电子聚集在SnS₂₋ₓOₓ中的吸附位点周围,表明表面氧注入使SnS₂边缘对HCOO*表现出更强的亲和力。上述结果证实,表面氧注入有效的改变了Sn的局域电子结构,从而有效地促进了CO₂RR上甲酸盐的产生。 图4. (a) Sn K边的原位XANES光谱。(b) Sn K边的k2加权FT光谱。(c) SnS₂₋ₓOₓ/CC在工作条件下的原位SR-FTIR光谱。(d) SnS₂₋ₓOₓ/CC上CO₂RR机制的示意图。(e) 在SnS₂和SnS₂₋ₓOₓ上CO₂还原为HCOOH的吉布斯自由能图。(f) 吸附在SnS₂和SnS₂₋ₓOₓ上的HCOO*的态密度。 陈涛 本文第一作者 中国科学技术大学 博士研究生 二维催化剂的精准设计及其在光电催化方面的应用;仿生维纳组装及其在能源环境方面的应用;锕系单原子催化惰性小分子转化。 ▍主要研究成果 ▍Email: chent@swust.edu.cn 姚涛 本文通讯作者 中国科学技术大学 教授 从事同步辐射先进实验技术的创新方法学、理论分析方法的发展、及其在先进能源材料应用的交叉科学研究。 ▍主要研究成果 ▍Email:yaot@ustc.edu.cn ▍个人主页 竹文坤 本文通讯作者 西南科技大学 教授 从事生物矿化及其生物质仿生组装在能源转化和环境处理方面相关工作。 ▍主要研究成果 ▍Email: zhuwenkun@swust.edu.cn ▍个人主页 张伟 本文通讯作者 中国科学技术大学 访问学者 中山大学 博士后 电还原催化剂的材料设计与结构解析;原位同步辐射吸收谱学和红外谱学技术;电催化反应中催化剂结构演变与构效关系。 ▍主要研究成果 ▍Email: zwei2319@mail.ustc.edu.cn Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419,在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9,材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。
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