为了满足人类日益增长的能源需求,通过电化学过程将CO2转化为高附加值的燃料是一种非常有前景的途径,原因是这一过程的电能可以来源于太阳能和风能等丰富的间歇性可再生能源。 在CO2 电还原反应中,主要的瓶颈是将CO2分子转化成CO2-阴离子,这一过程在标准情况下需要提供高达-1.9 V vs RHE的标准电极电势。
近日,中国科学技术大学曾杰教授课题组在Angew. Chem. Int. Ed上发表了题为“Nickel Doping in Atomically Thin Tin Disulfide Nanosheets Enables Highly Efficient CO2 Reduction” 的文章。
研究人员以两层原子厚的SnS2纳米片为基础,通过调节引入镍的含量,得到了不同镍掺杂的SnS2纳米片催化剂。合适镍含量的SnS2纳米片催化剂实现了对CO2分子的高效活化, 从而增强CO2电催化还原反应性能。 在CO2电催化还原反应中,5%Ni掺杂的SnS2纳米片在-0.9 V vs RHE的电压下, CO2被还原成有效碳产物的法拉第效率高达93%,同时电流密度达到-19.6 mA/cm2。
(A)纯SnS2和Ni掺杂SnS2纳米片在不同电压下的总电流密度; (B)纯SnS2和Ni掺杂SnS2纳米片在不同电压下的有效碳产物的法拉第效率(FE)图; (C)纯SnS2和Ni掺杂SnS2纳米片在不同电压下的甲酸的FE图; (D)电流密度和有效碳产物的FE在-0.9 V vs RHE下进行8小时恒电位测试结果;
图3 纯SnS2和5%Ni-SnS2纳米片在CO2电还原反应中的动力学分析
(A)纯SnS2和5%Ni-SnS2纳米片的Cdl曲线; (B)在-0.9 V vs RHE下,纯SnS2和5%Ni-SnS2纳米片的总电流密度和不同负载量的Cdl值之间关系的图谱; (C)纯SnS2和5%Ni-SnS2纳米片对于甲酸产物的Tafel曲线 (D)纯SnS2和5%Ni-SnS2纳米片的交流阻抗谱;
研究人员合成了Ni 掺杂的两层原子厚的SnS2纳米片作为高效的CO2电化学还原催化剂。通过合适的镍含量掺杂实现了SnS2纳米片在CO2电化学还原过程中的电流密度和有效碳产物的法拉第效率的明显提升。在-0.9 V vs RHE的电压下,5%Ni-SnS2纳米片的有效碳产物的法拉第效率高达93%,同时其电流密度为-19.6 mA/cm2。而且在8小时的稳定性测试中,5%Ni-SnS2纳米片的有效碳产物的FE保持稳定,同时,其电流也没有发生明显的衰减。机理研究表明,镍掺杂SnS2纳米片的催化活性的增加主要是由于靠近导带位置的缺陷能级和减小的功函数。这项工作不仅合成镍掺杂SnS2纳米片作为高效的CO2电化学还原催化剂,也为合理设计电催化剂提供方法。
文献链接:Nickel Doping in Atomically Thin Tin Disulfide Nanosheets Enables Highly Efficient CO2Reduction(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 10954 –10958)