In3+-Induced In–O–Sn Superexchange and Oxygen Vacancies Synergistically Boosting Acidic CO2-to-HCOOH Electrolysis at Ampere-Current Levels over Sn-Based Perovskite Oxides

钙钛矿(结构) 超级交换 电解 氧气 无机化学 催化作用 化学 材料科学 物理化学 电解质 结晶学 电极 离子 有机化学
作者
Jun‐Jie Zhu,Jun‐Jie Zhu,Hongyan Zhao,Qi Wang,Haijiao Kong,Xiaoyue Tu,Yu Zhang,Zhihui Lv,Zhenbao Zhang,Xiangjian Liu,Zhen Xue,Lei Shi,Xin‐Ming Hu,Jiawei Zhu,Jiawei Zhu,Heqing Jiang,Yongfa Zhu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (14): 12463-12476 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c03473
摘要

Sn-based catalysts feature significant potential for acidic CO2 electroreduction (CO2RR) to HCOOH, but encounter unsatisfactory selectivity and poor stability, especially at high current densities. Here, we report In3+-induced In–O–Sn superexchange and oxygen vacancies synergistically enabling ampere-level, selective, and stable CO2-to-HCOOH electroreduction over Sn-based perovskite oxides in a strong acid. For the proof-of-concept catalysts of SrSn1–xInxO3−δ (x = 0.05, 0.1, and 0.2), In3+ introduction not only generates additional oxygen vacancies but also engenders marked In–O–Sn superexchange. This superexchange modulates electronic structures, including the upward-shifted band center (e.g., Sn 5p) and the strengthened Sn–O bond covalency. In HCOOH production, relative to the parent SrSnO3, the SrSn1–xInxO3−δ series demonstrate enhancements in activity and selectivity (more pronounced with In3+ content) while also featuring significantly boosted stability. In strong acid (pH = 1), SrSn0.8In0.2O3−δ achieves high HCOOH selectivity of 91.2% at 1 A cm–2 and a single-pass carbon efficiency of up to 81.0%, together with a steady operation over 80 h, outperforming previously reported Sn-based catalysts. Our experiments and theoretical calculations attribute these performance improvements to the following factors: the superexchange-shifted band centers and the additional oxygen vacancies synergistically facilitating *CO2 protonation to *OCHO; the superexchange-strengthened Sn–O bond covalency stabilizing the Sn–O lattice.
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