Green Carbon文章 | 华侨大学赵化望副教授：InOOH电催化CO₂产甲酸重构过程构效关系

Green Carbon

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Green Carbon is an interdisciplinary journal promoting cutting-edge science and technology developments of green resources, green conversions, green processes and green products leading to low, zero or negative carbon emissions.

英文原题：Unveiling the relationship between structural evaluation and catalytic performance of InOOH during electroreduction of CO₂ to formate

作者：Caijun Deng, Chaofan Qi, Xiaomin Wu, Guohua Jing, Huawang Zhao*    

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背景介绍

Background

化石燃料燃烧导致二氧化碳过量排放，造成的温室效应引起气候变化等自然灾害。利用间歇性的绿色电能（如光电、风电等）将CO₂转化为高附加值的化学品，是实现碳中和的重要技术路径之一。由于较强的技术经济性，电化学CO₂还原 (ECO₂RR)产甲酸是具有应用前景的绿色电能到燃料的转化技术。In基催化剂具有较高的电催化产甲酸活性和选择性。然而，电催化过程中催化剂会接受阴极电子而发生还原，催化剂结构发生变化。目前，In基催化剂电催化反应过程中的重构机制不清晰，阻碍了高性能ECO₂RR In基催化剂的理性设计。因此，建立电催化反应条件下In基催化剂重构过程的构效关系十分重要。

近期，华侨大学赵化望副教授在Green Carbon上发表标题为“Unveiling the relationship between structural evaluation and catalytic performance of InOOH during electroreduction of CO₂ to formate”的研究文章。选择InOOH作为模型催化剂，研究了InOOH催化剂在ECO₂RR反应中的结构变化，关联相应的产甲酸性能，解析了催化剂电催化产甲酸的构效关系，为高性能In基催化剂的设计提供了理论基础。

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文章简介

Introduction

电催化CO₂产甲酸性能

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图1. InOOH在-1.0 V vs RHE下不同CO₂还原反应时间的

总电流密度及其所有产物的法拉第效率

随着反应的进行，产甲酸电流经历了上升、稳定以及下降的过程，表明催化剂经历了先活化后失活的过程。

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InOOH催化剂的结构变化

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图2. 催化剂的结构变化

经过2400s，4800s以及7200s的ECO₂RR反应后，InOOH催化剂转变为In团簇/InOOH，In/InOOH异质结构以及金属In。

催化剂电子性质的变化

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图3. 催化剂的XPS（a）、巴德电荷（b）、Tafel（c）以及EIS测试（d）

In团簇/InOOH表面电荷分布发生了变化，电子从In流向InOOH，使得InOOH中电子富集。In团簇/InOOH的体电阻（Rs）和界面电荷转移电阻（Rct）更小，表明其反应的电荷转移速率更快，有利于CO₂在ECO₂RR中的活化。

构效关系的DFT模拟

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图4. In团簇/InOOH、In/InOOH异质结构和

金属In上ECO₂RR到甲酸的吉布斯自由能图

In团簇/InOOH催化剂独特的电子结构减少了*OCHO在In位点加氢生成*HCOOH所需要的能量，加速了ECO₂RR产甲酸的速率。

总结及展望

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本文研究了CO₂电还原过程中的结构转化过程，揭示了InOOH从In团簇/InOOH到In/InOOH异质结构，最后到金属In的结构转变过程。不同结构赋予催化剂表面In原子不同的电子态，影响催化剂对CO₂吸附和中间体的转化。通过探究催化剂中间体结构和电催化产甲酸性能的匹配规律，建立了InOOH催化剂电催化重构过程的构效关系。

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文章摘要

 Abstract

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Abstract

The electrochemical CO₂ reduction reaction (ECO₂RR) to formate is perceived as a technoeconomic pathway for transforming renewable electricity into fuels. However, the indeterminate mechanism underlying structural self-reconstruction obstructs the strategic design of a high-performance In catalyst for the ECO₂RR. In this study, we chose InOOH as the model catalyst to illustrate the dynamic structure of In-based catalysts during reconstruction in the ECO₂RR. The findings of the current study indicate that the in situ electrochemical reconstruction of crystalline InOOH results in the creation of crystalline In clusters/InOOH, followed by In/InOOH heterostructures, and finally, metallic In over time. The efficiencies of the different phases conformed to the sequence: In clusters/InOOH > In/InOOH heterostructures > metallic In. This progression leads to a continuous drop in maximum current density and Faradaic efficiency from 29.6 mA/cm² and 87% to 6.3 mA/cm² and 75%, respectively with time extending to 7200 s, at –1.0 V relative to the reversible hydrogen electrode. Our in situ characterization and theoretical studies highlighted the crucial role of the In-cluster/InOOH interface in CO₂ activation and conversion.

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作者

 Author

赵化望 副教授

赵化望，工学博士，副教授，硕士生导师，任职于华侨大学化工学院。曾在天津大学、密歇根大学化学工程系从事环境与能源催化研究。目前专注于机动车尾气排放控制、CO₂转化、海水制氢领域的催化剂开发和基础研究。

相关论文信息

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论文信息

Deng C, Qi C, Wu X, et al.Unveiling the relationship between structural evaluation and catalytic performance of InOOH during electroreduction of CO₂ to formate[J]. Green Carbon, 2024.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.02.003

供稿：赵化望 副教授

（华侨大学）

编辑：Green Carbon 期刊中心

审核：Green Carbon 期刊中心

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关于

Green Carbon

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Green Carbon（绿碳，ISSN 2950-1555）是由中国科学院青岛生物能源与过程研究所创办、与科爱集团联合出版的开放获取英文学术期刊，聚焦绿色碳资源的开发与利用、化石碳资源的绿色转化与利用、排放碳资源的固定与利用，以及多尺度碳循环的分析与管理等主题，推动可持续发展领域的科技创新，打造多学科融合的国际一流学术交流平台。期刊将发表原创性研究论文、综述类文章、社论、简短通讯、观点和专题类文章。

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