谢毅Nat. Commun. 石墨烯夹层中局限的金属锡量子片用于二氧化碳的高效电化学还原

【引言】

化石燃料的过度使用导致了严重的能源危机和全球变暖，这些现象引起了科学家们对CO₂俘获、储存和利用的关注。为了重视这个问题，CO₂电催化还原在烃类燃料中被认为是一种有前途的策略，由于金属电极有着高的电子导电性，在CO₂的电化学还原中展现出了相当好的催化活性。然而，这些金属电极在实际应用中由于低能量效率受到了一定的阻碍，因而在CO₂电催化还原的基础研究和实际应用中，找到一种新的方法来稳定活泼型很强的金属的超薄层是刻不容缓的。

【成果简介】

近日，中国科学技术大学谢毅院士团队构建了一种模型，将活泼金属锡量子片局限在石墨烯层中，这提高了电催化活性和稳定性，为电解燃料合成设计高效的催化剂提供了很有价值的新思路。

【图文导读】

图1.催化示意图

烷烃燃料中石墨烯夹层局限的超薄金属层CO₂催化还原优势示意图

图2. 石墨烯夹层中局限的Sn量子片形成过程及表征

(a) 石墨烯夹层中局限的Sn量子片形成过程示意图；

(b) 石墨烯夹层中局限的Sn量子片TEM图；

(c) 石墨烯夹层中局限的Sn量子片高分辨TEM图；

(d-f) 石墨烯夹层中局限的Sn量子片AFM图、相应的高度图和原理示意图；

(g) 石墨烯夹层中局限的Sn量子片micro-Raman谱；

(h) 石墨烯夹层中局限的Sn量子片、15nm的Sn纳米粒子、混有石墨烯粒径15nm的Sn纳米粒子TG图。

在(b-d)中的比例尺寸分别是100nm、10nm、200nm，(c)图内部标注的是Sn量子片。

图3. 同步辐射X射线吸收精细结构

(a)Sn K边缘扩展X射线吸收精细结构振动函数k³ (k)；

(b)傅立叶变换FT(k3χ(k)),分别是石墨烯夹层中局限的Sn量子片、15nm的Sn粒子和块状Sn。

图4. CO₂的电催化还原性能

(a)CO₂在0.1M饱和NaHCO₃溶液中的线性扫描伏安曲线；

(b)外加电压4h甲酸盐的法拉第电流效率；

(c)产生甲酸盐的塔菲尔点；

(d)石墨烯夹层中局限的Sn量子片、混有石墨烯的15nm Sn纳米粒子、15nm的Sn纳米粒子、Sn在-1.8V的计时安培曲线(饱和甘汞电极作参比电极)，b图中相同样品五次独立测量的标准差的误差图。

图5. 石墨烯夹层中局限的Sn量子片的优势

(a)不同扫描速率下的充电电流密度曲线；

(b)CO₂的等温吸附曲线；

(c)奈奎斯特点图；

(d)N₂气氛下，石墨烯夹层中局限的Sn量子片、混有石墨烯的15nm Sn纳米粒子、15nm的Sn纳米粒子和Sn在饱和NaOH溶液中的单氧化线性扫描伏安曲线。

【展望】

本文首次提出石墨烯夹层中局限的超薄活泼金属层的的理想材料模型，这种石墨烯的保护可以防止活泼金属在空气中的氧化，且描述了石墨烯夹层中局限的活泼金属量子片的独特结构，这对于优化CO₂电催化还原性能起着重要的作用。

谢毅院士简介：

谢毅，女，中国科学院院士，中国科学技术大学特聘教授，博士生导师，科技部纳米重大研究计划项目专家，国务院学位办公室学科评审组专家成员、中国化学会无机化学学科委员会副主任、第三世界妇女科学组织委员。英国皇家化学会《Dalton Transaction》国际顾问委员会委员，《Chem. Central J.》等五种国际刊物编委，《化学学报》、《无机化学学报》等三种中文期刊编委。担任中国科学技术大学化学与材料科学学院学术委员会主任。相关研究处于固体化学、纳米材料、能源科学、物理理论和技术的交叉前沿。主要感兴趣的主题包括：(1)过渡金属化合物等强电子关联体系的相变行为和功能化研究；(2)低维无机固体结构的设计、控制合成、性质和理论研究; (3) 类石墨烯无机半导体纳米结构的制备、功能化和能源器件构筑。(来自中国科学技术大学官网)

原文链接：Metallic tin quantum sheets confined in grapheme toward high-efficiency carbon dioxide electroreduction (Nat. Commun., 2016, DOI:10.1038/ncomms12697)

本文由材料人编辑部新能源学术组YenHo供稿，点这里加入材料人的大家庭。参与新能源话题讨论请加入“材料人新能源材料交流群 422065952”，欢迎关注微信公众号，微信搜索“新能源前线”或扫码关注。