Stabilizing Oxidation State of SnO2 for Highly Selective CO2 Electroreduction to Formate at Large Current Densities

格式化 催化作用 电催化剂 空位缺陷 氧化还原 氧化态 材料科学 电化学 无机化学 化学 光化学 纳米技术 电极 物理化学 结晶学 有机化学
作者
Yunling Jiang,Jieqiong Shan,Pengtang Wang,Linsen Huang,Yao Zheng,Shi Zhang Qiao
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:13 (5): 3101-3108 被引量:89
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c00123
摘要

Even though electrocatalytic CO2 reduction reaction (CO2RR) to formate has made significant advances, achieving a high cell energy efficiency at industrial-level current densities is still a bottleneck for the large-scale application of this technology. SnO2 is a promising electrocatalyst for formate production but is restricted by the unstable oxidation state under high reduction potentials, causing catalyst reconstruction and inactivation. Herein, we present an atomic doping strategy (by Cu, Bi, or Pt) to trigger the emergence of oxygen vacancy in the SnO2 lattice and stabilize the oxidation state of SnO2 during CO2RR. As a result, the optimal Cu-incorporated SnO2 can keep a high formate Faradic efficiency of >80% and a cell energy efficiency of about 50–60% at a wide range of current densities up to 500 mA cm–2 in a commercial flow cell, surpassing most reported works. A set of in situ spectroscopy measurements and controlled electrochemical tests suggest that the oxygen vacancy, induced by the participation of Cu/Bi/Pt single atoms, holds the key to stabilizing SnO2 as well as promoting the adsorption of formate-related *OCHO reaction intermediate. A qualitative relationship between the oxygen vacancy concentration and CO2-to-formate conversion is constructed on a series of doped SnO2 catalysts.
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