Chuyển đổi tính chọn lọc giữa CO và formate trong quá trình khử CO2 trên ZnO vô định hình được biến đổi Sb nhờ hiệu ứng điện tử

Nano Research - Tập 16 - Trang 12144-12152 - 2023
Hongyu Chen1, Shoufu Cao2, Lu Wang2, Xiaojing Lin2, Qiuying Zhu2, Yizhu Shang2, Shuxian Wei1, Siyuan Liu2, Zhaojie Wang2, Baojun Wei1, Xiaoqing Lu2
1College of Science, China University of Petroleum, Qingdao, China
2School of Materials Science and Engineering, China University of Petroleum, Qingdao, China

Tóm tắt

Khả năng liên kết trung gian điều chỉnh trong quá trình khử cacbon dioxide (CO2) bằng điện xúc tác là rất quan trọng để thay đổi các con đường phản ứng đến các sản phẩm mong muốn. Ở đây, chúng tôi báo cáo lần đầu tiên về sự tổng hợp oxit kẽm vô định hình doped boron với (B-a-ZnO-Sb) hoặc không có hạt nanoparticle antimon (B-a-ZnO) thông qua phương pháp hóa học ướt một bước, điều này dễ dàng để mở rộng quy mô bằng cách tăng kích thước bình phản ứng và tăng lượng chất được cung cấp. Sb thành công trong việc chuyển đổi sản phẩm từ CO trên B-a-ZnO sang formate trên B-a-ZnO-Sb. Cả kết quả thực nghiệm và lý thuyết đều cho thấy Sb làm yếu đi sự tương tác điện tích trên các nguyên tử Zn. Dựa trên sự hấp phụ trung bình của ⋆COOH và sự hấp phụ mạnh của ⋆OCHO và ⋆HCOOH đối với B-a-ZnO, Sb ngoại lai làm yếu đi sự hấp phụ của các trung gian này và tạo ra sản xuất formate thay vì CO. Nghiên cứu này chỉ ra một hướng đi mới cho việc tổng hợp các xúc tác dựa trên ZnO vô định hình và cung cấp những hiểu biết tiên tiến về việc chuyển đổi tính chọn lọc nhằm khử CO2 thông qua hiệu ứng điện tử.

Từ khóa

#Khử CO2 #oxy hóa cacbon #oxit kẽm vô định hình #điện xúc tác #tính chọn lọc sản phẩm

Tài liệu tham khảo

Li, W. J.; Li, L. F.; Xia, Q. N.; Hong, S.; Wang, L. J.; Yao, Z. B.; Wu, T. S.; Soo, Y. L.; Zhang, H.; Benedict Lo, T. W. et al. Lowering C-C coupling barriers for efficient electrochemical CO2 reduction to C2H4 by jointly engineering single Bi atoms and oxygen vacancies on CuO. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 318, 121823 Xu, D. Z.; Li, K. K.; Jia, B. H.; Sun, W. P.; Zhang, W.; Liu, X.; Ma, T. Y. Electrocatalytic CO2 reduction towards industrial applications. Carbon Energy 2023, 5, e230 Dattila, F.; Seemakurthi, R. R.; Zhou, Y. C.; López, N. Modeling operando electrochemical CO2 reduction. Chem. Rev. 2022, 122, 11085–11130 Zhang, Z.; Wen, G. B.; Luo, D.; Ren, B. H.; Zhu, Y. F.; Gao, R.; Dou, H. Z.; Sun, G. R.; Feng, M.; Bai, Z. Y. et al. “Two ships in a bottle” design for Zn-Ag-O catalyst enabling selective and long-lasting CO2 elcctoreduction. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 6855–6864 Liang, Z. F.; Wang, J. H.; Tang, P. Y.; Tang, W. Q.; Liu, L. J.; Shakouri, M.; Wang, X.; Llorca, J.; Zhao, S. L.; Heggen, M. et al. Molecular engineering to introduce carbonyl between nickel salophen active sites to enhance electrochemical CO2 reduction to methanol. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 314, 121451 Zhao, X. L.; Huang, M.; Deng, B. W.; Li, K.; Li, F.; Dong, F. Interfacial engineering of In2O3/InN heterostructure with promoted charge transfer for highly efficient CO2 reduction to formate. Chem. Eng. J. 2022, 437, 135114 Chen, H. Y.; Wang, Z. J.; Wei, X. F.; Liu, S. Y.; Guo, P.; Han, P.; Wang, H. W.; Zhang, J. B.; Lu, X. Q.; Wei, B. J. Promotion of electrochemical CO2 reduction to ethylene on phosphorus-doped copper nanocrystals with stable Cuδ+ sites. Appl. Surf. Sci. 2021, 544, 148965 Chen, H. Y.; Wang, Z. J.; Cao, S. F.; Liu, S. Y.; Lin, X. J.; Zhang, Y.; Shang, Y. Z.; Zhu, Q. Y.; Zhou, S. N.; Wei, S. X. et al. Facile synthesis of an antimony-doped Cu/Cu2O catalyst with robust CO production in a broad range of potentials for CO2 electrochemical reduction. J. Mater. Chem. A 2022, 9, 23234–23242 Zhang, M. L.; Zhang, Z. D.; Zhao, Z. H.; Huang, H.; Anjum, D. H.; Wang, D. S.; He, J. H.; Huang, K. W. Tunable selectivity for electrochemical CO2 reduction by bimetallic Cu-Sn catalysts: Elucidating the roles of Cu and Sn. ACS Catal. 2022, 11, 11103–11108 Chen, M. X.; Wan, S. P.; Zhong, L. X.; Liu, D. B.; Yang, H. B.; Li, C. C.; Huang, Z. Q.; Liu, C. T.; Chen, J.; Pan, H. G. et al. Dynamic restructuring of Cu-doped SnS2 nanoflowers for highly selective electrochemical CO2 reduction to formate. Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 60, 26233–26237 Birdja, Y. Y.; Pérez-Gallent, E.; Figueiredo, M. C.; Göttle, A. J.; Calle-Vallejo, F.; Koper, M. T. M. Advances and challenges in understanding the electrocatalytic conversion of carbon dioxide to fuels. Nat. Energy 2019, 4, 732–745 Meng, D. L.; Zhang, M. D.; Si, D. H.; Mao, M. J.; Hou, Y.; Huang, Y. B.; Cao, R. Highly selective tandem electroreduction of CO2 to ethylene over atomically isolated nickel-nitrogen site/copper nanoparticle catalysts. Angew. Chem., Int. Ed. 2022, 60, 25485–25492 Xiao, X.; Gao, J. J.; Xi, S. B.; Lim, S. H.; Png, A. K. W.; Borgna, A.; Chu, W.; Liu, Y. Experimental and in situ DRIFTs studies on confined metallic copper stabilized Pd species for enhanced CO2 reduction to formate. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 309, 121239 Chen, H. Y.; Zhang, Y.; Yang, T. F.; Shang, Y. Z.; Zhu, Q. Y.; Cao, S. F.; Lin, X. J.; Liu, S. Y.; Wei, S. X.; Wei, B. J. et al. Two birds with one stone: Large catalytic areas and abundant nitrogen sites inspired by fluorine doping contributing to CO2RR activity and selectivity. Dalton Trans. 2022, 51, 15883–15888 Ayyub, M. M.; Rao, C. N. R. Borocarbonitrides as metal-free electrocatalysts for the electrochemical reduction of CO2. Chem. Mater. 2022, 34, 6626–6635 Qiu, C.; Qian, K.; Yu, J.; Sun, M. Z.; Cao, S. F.; Gao, J. Q.; Yu, R. X.; Fang, L. Z.; Yao, Y. W.; Lu, X. Q. et al. MOF-transformed In2O3−x@C nanocorn electrocatalyst for efficient CO2 reduction to HCOOH. Nano-Micro Lett. 2022, 14, 167 Chang, S.; Xuan, Y. M.; Duan, J. J.; Zhang, K. High-performance electroreduction CO2 to formate at Bi/Nafion interface. Appl. Catal. B: Environ. 2022, 306, 121135 Ren, X. X.; Gao, Y. G.; Zheng, L. R.; Wang, Z. Y.; Wang, P.; Zheng, Z. K.; Liu, Y. Y.; Cheng, H. F.; Dai, Y.; Huang, B. B. Oxygen vacancy enhancing CO2 electrochemical reduction to CO on Ce-doped ZnO catalysts. Surf. Interfaces 2021, 23, 100923 Zhang, T. T.; Li, X. F.; Qiu, Y. L.; Su, P. P.; Xu, W. B.; Zhong, H. X.; Zhang, H. M. Multilayered Zn nanosheets as an electrocatalyst for efficient electrochemical reduction of CO2. J. Catal. 2018, 357, 154–162 Han, N.; Ding, P.; He, L.; Li, Y. Y.; Li, Y. G. Promises of main group metal-based nanostructured materials for electrochemical CO2 reduction to formate. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1902338 Geng, Z. G.; Kong, X. D.; Chen, W. W.; Su, H. Y.; Liu, Y.; Cai, F.; Wang, G. X.; Zeng, J. Oxygen vacancies in ZnO nanosheets enhance CO2 electrochemical reduction to CO. Angew. Chem., Int. Ed. 2018, 57, 6054–6059 Xiang, Q.; Li, F.; Wang, J. L.; Chen, W. L.; Miao, Q. S.; Zhang, Q. F.; Tao, P.; Song, C. Y.; Shang, W.; Zhu, H. et al. Heterostructure of ZnO nanosheets/Zn with a highly enhanced edge surface for efficient CO2 electrochemical reduction to CO. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 10837–10844 Luo, W.; Zhang, Q.; Zhang, J.; Moioli, E.; Zhao, K.; Züttel, A. Electrochemical reconstruction of ZnO for selective reduction of CO2 to CO. Appl. Catal. B: Environ. 2020, 273, 119060 Xue, L.; Zhang, C. J.; Shi, T.; Liu, S. P.; Zhang, H.; Sun, M.; Liu, F. R.; Liu, Y.; Wang, Y.; Gu, X. J. et al. Unraveling the improved CO2 adsorption and COOH⋆ formation over Cu-decorated ZnO nanosheets for CO2 reduction toward CO. Chem. Eng. J. 2023, 452, 139701. Ren, B. H.; Zhang, Z.; Wen, G. B.; Zhang, X. W.; Xu, M.; Weng, Y. Y.; Nie, Y. H.; Dou, H. Z.; Jiang, Y.; Deng, Y. P. et al. Dual-scale integration design of Sn-ZnO catalyst toward efficient and stable CO2 electroreduction. Adv. Mater. 2022, 34, 2204637 Kang, M. P. L.; Kolb, M. J.; Calle-Vallejo, F.; Yeo, B. S. The role of undercoordinated sites on zinc electrodes for CO2 reduction to CO. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2111597 Duan, Y. X.; Meng, F. L.; Liu, K. H.; Yi, S. S.; Li, S. J.; Yan, J. M.; Jiang, Q. Amorphizing of Cu nanoparticles toward highly efficient and robust electrocatalyst for CO2 reduction to liquid fuels with high faradaic efficiencies. Adv. Mater. 2018, 30, 1706194 Li, S. J.; Bao, D.; Shi, M. M.; Wulan, B. R.; Yan, J. M.; Jiang, Q. Amorphizing of Au nanoparticles by CeOx-RGO hybrid support towards highly efficient electrocatalyst for N2 reduction under ambient conditions. Adv. Mater. 2017, 29, 1700001 Zhou, Y. S.; Che, F. L.; Liu, M.; Zou, C. Q.; Liang, Z. Q.; De Luna, P.; Yuan, H. F.; Li, J.; Wang, Z. Q.; Xie, H. P. et al. Dopant-induced electron localization drives CO2 reduction to C2 hydrocarbons. Nat. Chem. 2018, 10, 974–980 Teng, X.; Lu, J. M.; Niu, Y. L.; Gong, S. Q.; Xu, M. Z.; Meyer, T. J.; Chen, Z. F. Selective CO2 reduction to formate on a Zn-based electrocatalyst promoted by tellurium. Chem. Mater. 2022, 34, 6036–6047 Madhusudan, P.; Wang, Y.; Chandrashekar, B. N.; Wang, W. J.; Wang, J. W.; Miao, J.; Shi, R.; Liang, Y. X.; Mi, G. J.; Cheng, C. Nature inspired ZnO/ZnS nanobranch-like composites, decorated with Cu(OH)2 clusters for enhanced visible-light photocatalytic hydrogen evolution. Appl. Catal. B: Environ. 2019, 253, 379–390 Zhang, Q. M.; Zhou, X. X.; Kuang, Z. Y.; Xue, Y.; Li, C. J.; Zhu, M.; Mou, C. Y.; Chen, H. R. A bismuth species-decorated ZnO/p-Si photocathode for high selectivity of formate in CO2 photoelectrochemical reduction. ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, 10, 2380–2387 Wang, X. T.; Shi, W. X.; Jin, Z.; Huang, W. F.; Lin, J.; Ma, G. S.; Li, S. Z.; Guo, L. Remarkable SERS activity observed from amorphous ZnO nanocages. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 9851–9855 Wang, X. Y.; Xu, K. M.; Yan, X. Y.; Xiao, X. B.; Aruta, C.; Foglietti, V.; Ning, Z. J.; Yang, N. Amorphous ZnO/PbS quantum dots heterojunction for efficient responsivity broadband photodetectors. ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 8403–8410 Cai, W. Z.; Chen, R.; Yang, H. B.; Tao, H. B.; Wang, H. Y.; Gao, J. J.; Liu, W.; Liu, S.; Hung, S. F.; Liu, B. Amorphous versus crystalline in water oxidation catalysis: A case study of NiFe alloy. Nano Lett. 2020, 20, 4278–4285 Hirata, A.; Kohara, S.; Asada, T.; Arao, M.; Yogi, C.; Imai, H.; Tan, Y. W.; Fujita, T.; Chen, M. W. Atomic-scale disproportionation in amorphous silicon monoxide. Nat. Commun. 2016, 7, 11591 Hussain, N.; Abdelkareem, M. A.; Alawadhi, H.; Begum, S.; Elsaid, K.; Olabi, A. G. Novel ternary CuO-ZnO-MoS2 composite material for electrochemical CO2 reduction to alcohols. J. Power Sources 2022, 549, 232128 Ma, X. Y.; Du, J. J.; Sun, H.; Ye, F. H.; Wang, X.; Xu, P. F.; Hu, C. G.; Zhang, L. P.; Liu, D. Boron, nitrogen co-doped carbon with abundant mesopores for efficient CO2 electroreduction. Appl. Catal. B: Environ 2021, 298, 120543 Li, F. W.; Xue, M. Q.; Li, J. Z.; Ma, X. L.; Chen, L.; Zhang, X. J.; MacFarlane, D. R.; Zhang, J. Unlocking the electrocatalytic activity of antimony for CO2 reduction by two-dimensional engineering of the bulk material. Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 14718–14722 Zhuang, T. T.; Liang, Z. Q.; Seifitokaldani, A.; Li, Y.; De Luna, P.; Burdyny, T.; Che, F. L.; Meng, F.; Min, Y.; Quintero-Bermudez, R. et al. Steering post-C-C coupling selectivity enables high efficiency electroreduction of carbon dioxide to multi-carbon alcohols. Nat. Catal. 2018, 1, 421–428 Khan, S. A.; Noreen, F.; Kanwal, S.; Iqbal, A.; Hussain, G. Green synthesis of ZnO and Cu-doped ZnO nanoparticles from leaf extracts of Abutilon indicum, Clerodendrum infortunatum, Clerodendrum inerme and investigation of their biological and photocatalytic activities. Mater. Sci. Eng. C 2018, 82, 46–59 Ma, G.; Liang, X. X.; Li, L. C.; Qiao, R.; Jiang, D. H.; Ding, Y.; Chen, H. F. Cu-doped zinc oxide and its polythiophene composites: Preparation and antibacterial properties. Chemosphere 2014, 100, 146–151 He, F.; He, Z. J.; Xie, J. L.; Li, Y. H. IR and Raman spectra properties of Bi2O3-ZnO-B2O3-BaO quaternary glass system. Am. J. Anal. Chem. 2014, 5, 1142–1150 Wang, K.; Liu, D. Y.; Deng, P. L.; Liu, L. M.; Lu, S. Y.; Sun, Z. J.; Ma, Y. M.; Wang, Y. K.; Li, M. T.; Xia, B. Y. et al. Band alignment in Zn2SnO4/SnO2 heterostructure enabling efficient CO2 electrochemical reduction. Nano Energy 2019, 64, 103954 Fan, Q. K.; Zhang, X.; Ge, X. H.; Bai, L. C.; He, D. S.; Qu, Y. T.; Kong, C. C.; Bi, J. L.; Ding, D. W.; Cao, Y. Q. et al. Manipulating Cu nanoparticle surface oxidation states tunes catalytic selectivity toward CH4 or C2+ products in CO2 electroreduction. Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2101424 Geng, Z. G.; Cao, Y. J.; Chen, W. X.; Kong, X. D.; Liu, Y.; Yao, T.; Lin, Y. Regulating the coordination environment of Co single atoms for achieving efficient electrocatalytic activity in CO2 reduction. Appl. Catal. B: Environ. 2019, 240, 234–240 Zheng, W. Z.; Chen, F.; Zeng, Q.; Li, Z. J.; Yang, B.; Lei, L. C.; Zhang, Q. H.; He, F.; Wu, X. L.; Hou, Y. A universal principle to accurately synthesize atomically dispersed metal-N4 sites for CO2 electroreduction. Nano-Micro Lett. 2020, 12, 108 Zhang, Y. F.; Yang, R. J.; Li, H.; Zeng, Z. Y. Boosting electrocatalytic reduction of CO2 to HCOOH on Ni single atom anchored WTe2 monolayer. Small 2022, 18, 2203759 Guo, W. W.; Tan, X. X.; Bi, J. H.; Xu, L.; Yang, D. X.; Chen, C. J.; Zhu, Q. G.; Ma, J.; Tayal, A.; Ma, J. Y. et al. Atomic indium catalysts for switching CO2 electroreduction products from formate to CO. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 6877–6885.