新闻网讯 8月13日，《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）杂志在线刊发了材料学院翟天佑、刘友文团队的最新研究成果“双金属硫化物原位相分离形成的强耦合异质界面助力CO2高效转化” (In Situ Phase Separation into Coupled Interfaces for Promoting CO2Electroreduction to Formate over a Wide Potential Window,Angew Chem Int EdDOI: 10.1002/anie.202110000)”。
这是团队基于前期在电催化剂表面结构催化性能的精准确定及优化的基础上(Angew. Chem. Int. Ed.2020, 59, 16974;Adv. Mater.2019, 31, 1900528;CCS Chem.2019, 1, 396;Chem. Soc. Rev.2020, 49, 2916;ACS Nano.2020, 14, 1635.)，在电催化材料表界面结构设计领域取得的又一重要研究成果。
在第七十五届联合国大会上，我国表示“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。在碳中和目标背景下，利用可再生电力资源的电化学工艺实现二氧化碳分子(CO2)重整制备高值化学品与燃料是“做好碳达峰、碳中和工作”的有效策略之一（Marc T. M. Koper, et al.NatureEnergy 2021, 4, 732-745;Erwin Reisner, et al. 2020, 3, 775-786等）。探索设计大规模低成本CO2电催化转化的高效电催化剂以及理解催化机理则至关重要。由于双金属硫化物中异质原子之间电子相互作用、组分可调、物相多样化等特点，使其有望实现高选择性和高活性CO2电催化还原(CO2RR)。然而，硫化物在电催化反应过程中往往会发生一定的结构重构，形成新的高活性局域结构如界面、缺陷等作为实际的催化位点。因此，明确双金属硫化物的结构演变过程、真实活性位点和催化机理是设计高效催化剂的必要前提与挑战。
基于此，刘友文与翟天佑教授团队利用双金属硫化物在电还原过程中的结构演变构建了具有强耦合界面作用的异质结，揭示了双金属硫化物CO2RR真实活性位点并实现了在宽电势窗口范围内高效的CO2电催化还原为甲酸燃料。在该研究中，团队通过球差矫正透射电子显微镜和同步辐射X射线吸收精细结构光谱揭示了双金属硫化物Cu2SnS3纳米片在电催化CO2电还原过程中发生快速的相分离形成SnO2@CuS/Cu2O异质结核壳纳米片，且此异质结界面处SnO2与CuS和Cu2O之间存在着的强电子相互作用，为Sn4+提供了在施加的高负电势时的强耐CO2还原能力。进一步通过理论计算证实了SnO2@CuS/Cu2O异质结界面作为双金属硫化物Cu2SnS3驱动CO2电还原为甲酸的真实活性位点，通过界面处的电子从Sn4+到Cu+的自驱动定向流动,促使Sn4+倾向于电子离域的状态，从而增强了中间体HCOO*与H*结合的能力，提升异质结纳米片电催化转化CO2为甲酸的活性。该工作从原子结构出发，探究了双金属硫化物的真实催化活性中心，也为其它小分子在宽电势窗口范围内具有高效活性电催化剂的设计提供了借鉴。
我校为第一完成单位，博士生王文彬为第一作者，翟天佑教授和刘友文副教授为通讯作者。该研究工作同时得到了来自于华中科技大学化学与化工学院夏宝玉教授在电化学性能测试以及燕山大学聂安民教授球差矫正透射电子显微镜表征的帮助，以及国家自然科学基金面上项目（22071069）和国家自然科学基金青年项目(21805102)资助。
【文章链接】https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202110000
