Stabilizing indium sulfide for CO2 electroreduction to formate at high rate by zinc incorporation

格式化 催化作用 硫化物 硫化锌 溶解 无机化学 化学 法拉第效率 化学工程 材料科学 电解质 有机化学 物理化学 工程类 电极
作者
Li‐Ping Chi,Zhuang‐Zhuang Niu,Xiaolong Zhang,Peng‐Peng Yang,Jie Liao,Fei‐Yue Gao,Zhe Wu,Kaibin Tang,Min‐Rui Gao
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:12 (1) 被引量:95
标识
DOI:10.1038/s41467-021-26124-y
摘要

Recently developed solid-state catalysts can mediate carbon dioxide (CO2) electroreduction to valuable products at high rates and selectivities. However, under commercially relevant current densities of > 200 milliamperes per square centimeter (mA cm-2), catalysts often undergo particle agglomeration, active-phase change, and/or element dissolution, making the long-term operational stability a considerable challenge. Here we report an indium sulfide catalyst that is stabilized by adding zinc in the structure and shows dramatically improved stability. The obtained ZnIn2S4 catalyst can reduce CO2 to formate with 99.3% Faradaic efficiency at 300 mA cm-2 over 60 h of continuous operation without decay. By contrast, similarly synthesized indium sulfide without zinc participation deteriorates quickly under the same conditions. Combining experimental and theoretical studies, we unveil that the introduction of zinc largely enhances the covalency of In-S bonds, which "locks" sulfur-a catalytic site that can activate H2O to react with CO2, yielding HCOO* intermediates-from being dissolved during high-rate electrolysis.
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