物理化学学报 >> 2025, Vol. 41 >> Issue (3): 100019.doi: 10.3866/PKU.WHXB202308052
所属专题: 能源化学
陈润华1,†, 吴琼1,†, 罗婧宸1, 祖小龙2,*(
), 朱姗3, 孙永福1,*(
)
收稿日期:2023-08-31
修回日期:2023-10-04
录用日期:2023-10-17
发布日期:2023-12-20
通讯作者:
Email: xiaolongzu@xmu.edu.cn (祖小龙)yfsun@ustc.edu.cn (孙永福)
作者简介:†These authors contributed equally to this work.
基金资助:
Runhua Chen1, Qiong Wu1, Jingchen Luo1, Xiaolong Zu2,*(
), Shan Zhu3, Yongfu Sun1,*(
)
Received:2023-08-31
Revised:2023-10-04
Accepted:2023-10-17
Published:2023-12-20
Contact:
Email: xiaolongzu@xmu.edu.cn (Xiaolong Zu)yfsun@ustc.edu.cn (Yongfu Sun)
Supported by:摘要:
太阳能、风能等可再生能源驱动的光/电催化还原二氧化碳(CO2)制碳基燃料是一种非常吸引人的资源再生和能源存储策略,这对中国实现碳达峰和碳中和战略具有重要意义。然而,CO2分子极高的热力学稳定性和极强的化学惰性导致CO2还原反应的转化效率和选择性仍然不理想,这严重限制了CO2转化技术的实际应用。得益于超薄的厚度、高比表面积和相对均一的暴露晶面等特性,二维超薄材料具有高活性、高密度以及高均一的催化位点,能够优化关键的热力学和动力学因素,进而有效改善CO2光/电还原性能。需要指出的是,缺陷态二维超薄材料中的富电子催化位点能够更高效地吸附和活化CO2分子,从而有效降低反应势垒,加速CO2还原并提高产物选择性。此外,二维超薄材料的缺陷结构也有助于催化过程中的质子传递和电子转移等行为,从而进一步提高催化剂的反应活性。本文综述了缺陷态二维超薄材料在CO2光/电催化还原方面的最新研究进展,详细介绍了几类常见的缺陷态二维超薄材料的可控制备方法和精细结构表征。结合典型实例,系统总结了表面缺陷结构对二维超薄材料的局域原子结构和电子结构的调制作用,以及对CO2还原性能的影响。最后,展望了缺陷态二维超薄材料在CO2还原领域所面临的挑战与机遇,为今后的研究提供了借鉴和启示。
陈润华, 吴琼, 罗婧宸, 祖小龙, 朱姗, 孙永福. 缺陷态二维超薄材料用于光/电催化CO2还原的基础与展望[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3), 100019. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308052
Runhua Chen, Qiong Wu, Jingchen Luo, Xiaolong Zu, Shan Zhu, Yongfu Sun. Defective Ultrathin Two-Dimensional Materials for Photo-/Electrocatalytic CO2 Reduction: Fundamentals and Perspectives[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2025, 41(3), 100019. doi: 10.3866/PKU.WHXB202308052
图13
(a) Gibbs free energy diagrams for the CO2 electrochemical reduction to formate on the oxygen-deficient Co3O4 single-unit-cell layers (top) and the perfect Co3O4 single-unit-cell layers (bottom). (b) Tafel plots and (c) Faradaic efficiencies of formate with different applied potentials over the VO-rich and VO-poor Co3O4 single-unit-cell layers. (d) Gibbs free reaction energy as a function of *ECOOH on (211) surface of transition metals and (110) surface of tinoxides at 298 K without potential correction (up) H* adsorption energy on O-Sn-O (SnO2), N-Sn-O (N-SnO2), O-Sn-VO (VO-SnO2), and N-Sn-VO (VO-N-SnO2) (down). (e) Voltammograms of OHads peaks obtained in a 0.1 mol∙L−1 KOH batch cell (up) and adsorption energy of key intermediates on (100) and (111) facets (down) of Cu nanosheets with pits and Cu nanosheets. (f) Scheme of n-propanol formation on CuS with double S vacancies. (g) Gibbs free energy diagrams for CuS with double S vacancies (blue curve) and CuS with single S vacancies (red curve) at 0 V vs. RHE.(h) Schematic diagram for improved EtOH generation over VSe-Cu2−xSe."
表1
"
| 2D materials | Vacancy types | syntdetic metdod | Characterization metdods | Product | Formation rate/ (μmol·g-1·h-1) or FEP% | Ref. |
| ZnIn2S4 atomic layers | Zn vacancies | hydrotdermal | HAADF-STEM, EPR, PAS | CO | 33.2 | |
| BiOBr atomic layers | Oxygen vacancies | UV irradiation | XPS, EPR, XANES | CO | 87.4 | |
| CuIn2S4 single-unit-cell layers | S vacancies | fast-calciination treatment | XPS, EPR | CH4 | 8.7 | |
| BiVO4 layers | V vacancies | hydrotdermal | PAS | CH3OH | 398.3 | |
| TiO2 ultratdin layers | Oxygen vacancies | annealing treatment | XPS, PAS | CO | 23.1 | |
| Bi2O2CO3 nanosheets | Oxygen vacancies | UV irradiation | XPS, EPR | CO | 275 | |
| ZnCo2O4 atomic layers | Ni-doping | adding reactants | XPS, ICP-AES | CO | 31.4 | |
| WO3 nanosheets | Ti-doping | adding reactants | XPS, XANES | CH3OH | 16.8 | |
| Co3O4 nanosheets | Oxygen vacancies | fast-calciination treatment | XPS, EPR, XANES | CH3COOH | 2.95 | |
| Zn2GeO4 nanobelts | Oxygen vacancies | vacuum aluminotdermic reduction | XPS, EPR | CH3COOH | 12.7 | |
| WO3 layers | Oxygen vacancies | annealing treatment | XPS, EPR | CO | 2.7 | |
| Bi2WO6 atomic layers | Oxygen vacancies | annealing treatment | HRTEM, XPS, Raman, EPR | CH3OH | 157 | |
| NiS2 atomic layers | Co doping | adding reactants | XPS, ICP-AES | C2H4 | 2.5 | |
| Bi nanosheets | lattice-distorted | hydrotdermal | HAADF-STEM, Raman | HCOOH | 100% | |
| Co3O4 atomic layer | Oxygen vacancies | fast-calciination treatment | XAFS, XPS | HCOOH | 85% | |
| Cu2-δSe nanosheets | Se vacancies | hydrotdermal | XPS, EPR, XANES | EtOH | 68.1% | |
| SnO2 nanosheet | oxygen vacancies and N-doping | hydrotdermal | XPS, EPR | HCOOH | 83% | |
| Cu nanosheets | pits | electroreduction | HAADF-STEM | C2H4 | 83.2% |
| 1 |
doi: 10.1021/cr4002758 |
| 2 |
doi: 10.1038/nature16455 |
| 3 |
doi: 10.1039/D2IM00055E |
| 4 |
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doi: 10.3866/PKU.WHXB202108017 |
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| 7 |
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| 8 |
doi: 10.1039/C4CS00236A |
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| 11 |
doi: 10.1039/C8QI00122G |
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doi: 10.1007/s12274-022-5112-x |
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| 12 |
doi: 10.1016/j.carbon.2014.08.059 |
| 13 |
doi: 10.1016/j.carbon.2018.01.008 |
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doi: 10.1007/s11426-021-1184-6 |
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doi: 10.1021/jacs.0c02973 |
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doi: 10.1039/C6EE00383D |
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doi: 10.1002/adma.201404057 |
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doi: 10.1038/s41560-019-0431-1 |
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doi: 10.1021/ja501866r |
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doi: 10.1039/C4SC00565A |
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doi: 10.1038/ncomms3899 |
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doi: 10.1021/acs.nanolett.3c00524 |
| 41 |
doi: 10.1021/acsnano.2c11046 |
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doi: 10.1021/jacs.6b11263 |
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doi: 10.1021/ja3102049 |
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doi: 10.1007/s12274-022-4335-1 |
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doi: 10.1021/acscatal.2c00157 |
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| 48 |
doi: 10.1016/j.matt.2020.02.006 |
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doi: 10.1021/acs.nanolett.2c04335 |
| 50 |
doi: 10.1038/ncomms14503 |
| 51 |
doi: 10.1007/s11426-021-9967-9 |
| 52 |
doi: 10.1002/adfm.202214946 |
| 53 |
doi: 10.1039/D2IM00056C |
| 54 |
doi: 10.1039/D3CC02843G |
| 55 |
doi: 10.1002/anie.202101894 |
| 56 |
doi: 10.1007/s12274-017-1943-2 |
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doi: 10.1039/D2NR02364D |
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doi: 10.1021/acs.nanolett.1c00383 |
| 59 |
doi: 10.1021/jacs.1c08033 |
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doi: 10.1039/D0CS00332H |
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doi: 10.1073/pnas.1203122109 |
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doi: 10.1007/s12274-021-3789-x |
| 69 |
doi: 10.1038/s41467-023-37679-3 |
| 70 |
doi: 10.1038/ncomms2066 |
| 71 |
doi: 10.1002/adma.202005113 |
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doi: 10.1021/jacs.0c06420 |
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doi: 10.1038/s41467-021-21901-1 |
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doi: 10.1007/s42823-022-00380-4 |
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doi: 10.1039/D2GC03160D |
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doi: 10.1007/s42823-022-00401-2 |
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