随着人类社会的飞速发展，对传统化石能源的消耗迅速增长，过量的碳排放导致了系列严重的环境问题，严重阻碍了人类社会的可持续发展。通过电化学技术将二氧化碳转化为高附加值的化学品和燃料是节能减排的有效策略。在电化学二氧化碳还原的众多可能产物中，甲酸是最有经济前景的目标产物之一。研究表明，氧化态金属位点通常比相应金属位点具有更加优异的催化性能。但是在较负的电位下面临着还原性腐蚀，从而导致电流密度与选择性降低。因此，设计具有氧化态金属位点的高效催化剂是二氧化碳还原技术的重要挑战之一。此外，在传统的液相流动池中，生成的甲酸产物通常与碱性电解液混合，以甲酸盐的形式存在，后续的分离与纯化工艺也将带来巨大的能源和成本消耗。综上所述，除了发展高效稳定的电催化剂之外，升级反应器件将二氧化碳直接转化为液态燃料也至关重要。

近日，华中科技大学夏宝玉教授团队报道了一种碳包覆限域的氧化铟催化剂（In2O3

C）用于电催化二氧化碳还原反应。得益于碳层的保护及其良好的导电性，氧化价态铟基催化剂在二氧化碳还原过程中得以有效维持，避免了在反应过程中被还原为金属态铟基催化剂而导致催化效率降低。理论计算表明，碳层和原位生成的氧空位与氧化铟纳米颗粒间存在紧密的电子协同作用，在调节催化剂电子结构的同时也优化了对关键反应中间体的吸附能力，进一步改善了本征催化活性。在液相流动池中，In2O3

C对甲酸盐的选择性高达94%，稳定性达到小时。在膜电极（MEA）装置中引入了多孔阳离子交换树脂作为固态电解质（SSE）组件，组成了新型的固态电解质膜电极反应装置，用于二氧化碳还原直接生成甲酸溶液。

通过可控的退火策略制备出碳层包覆限域的氧化铟催化剂。从电镜图像中可以看到In2O3

C包裹了一层约50nm厚的无定形碳，将氧化铟纳米颗粒紧密封装起来。而在空气中煅烧形成的氧化铟则呈现出大量直接暴露的氧化物纳米颗粒。

由于包覆碳层极大提高了材料的导电能力，可以在催化反应中将电子及时传递至反应物，避免电子聚集在催化剂表面导致其自身被腐蚀。因此，In2O3

C在还原电位下能够有效保持铟的氧化状态，从而维持较高的催化活性和稳定性。而对比样品都出现了不同程度的还原现象，从而导致反应选择性与活性在短时间内迅速衰退。理论计算表明碳层包覆以及原位生成的氧空位能够优化催化剂表界面上的关键反应中间体HCOO*吸附能力，同时抑制析氢副反应的进行，进一步提高了催化剂的催化活性。

在膜电极（MEA）装置中引入了多孔阳离子交换树脂作为固态电解质（SSE）组件，组成了新型的固态电解质膜电极反应装置。在反应过程中，阴极上产生的HCOO-阴离子将通过阴离子交换膜扩散至固态电解质中，随后与从阳离子交换膜传递来的质子结合形成甲酸，并最终由在固态电解质中缓慢流动的纯水带出，得到液态甲酸溶液。在3小时的运行时间内，In2O3

C能够持续二氧化碳转化，得到浓度约为0.12M的液态甲酸溶液。

论文信息

Carbon-ConfinedIndiumOxidesforEfficientCarbonDioxideReductioninaSolid-StateElectrolyteFlowCell

ZhitongWang,YansongZhou,DongyuLiu,RuijuanQi,ChenfengXia,Prof.MingtaoLi,Prof.BoYou,Prof.BaoYuXia

文章的第一作者是华中科技大学的博士研究生王志同和硕士生周岩松。

AngewandteChemieInternationalEdition

DOI:10.2/anie.

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