第一作者：孟见
通讯作者：苗智超，周晋，禚淑萍
通讯单位：山东理工大学
论文DOI：10.1016/j.apcatb.2024.124596
In基催化剂在CO
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电还原(CO
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RR)制备甲酸(HCOOH)领域展现出广泛应用潜力，其核心在于精确调控
p
轨道电子以提升催化效率。碳包覆作为一种有效策略，虽能调控轨道电子结构，但碳层厚度的难以精确控制成为制约针对性电子结构调整的关键因素。因此，精确调控碳层厚度并深入探究其对催化剂电子结构的调控机制，对于开发高性能催化剂具有重要意义。本研究采用原位CVD技术，成功制备出碳层厚度精确可控的碳包覆In
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(In
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@C)催化剂。该催化剂展现出超过90%的法拉第效率(FE
HCOOH
)，在110 mA cm
⁻
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的恒定电流密度下稳定运行100 h，同时在膜电极组件中也实现了高FE
HCOOH
和电流密度。DFT计算与实验结果共同证实，碳层的引入有效优化了In
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的
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轨道电子构型，进而改善了*OCHO中间体的吸附能，显著提升了催化性能。
利用可再生能源驱动的CO
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还原反应，将其转化为高价值燃料，是减缓气候变化的有效途径之一，而高效催化剂的研发则是此路径的核心挑战。在众多CO
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RR制HCOOH的催化剂中，
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区元素如In、Sn、Bi等因具有良好的催化潜力而备受关注，其中，催化剂的
p
轨道电子构型直接关系到中间产物的吸附与活化过程，进而影响催化效率。尽管碳包覆策略被视为调控电子结构的有效手段，但碳层结构的不可控性严重限制了电子结构的精确调控及构效关系的深入研究。因此，实现碳层厚度的精确调控，并探究其对催化剂电子结构及性能的调控机制，对于推动高效催化剂的开发至关重要。
1. 采用原位CVD技术，成功制备出碳层厚度精确可控的In
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@C催化剂。
2. 通过实验与DFT计算双重验证，适宜厚度的碳层有效调控了In
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的电子构型，优化了*OCHO中间体的吸附能，显著提升了催化性能。
3. In
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@C-30催化剂展现出优异的FE
HCOOH
(>90%)、高电流密度(110 mA cm
⁻
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)及长时间稳定性(100 h)，且在低CO
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浓度和酸性条件下仍保持高效活性。
图1. In
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@C材料制备过程示意图
本工作以苯作为气相碳源，通过调节CVD沉积时间调控碳层厚度，得到具有不同碳层厚度In
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@C-t（t=0，15，30，60 min）材料。通过XRD、TEM、Raman、XPS等多种表征技术，证实了碳层厚度的可控性，其中In
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@C-15、In
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@C-30和In
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@C-60的碳层厚度分别约为0.5
nm、1.3 nm和2.0 nm。
图3. In
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@C-t化学键及吸附性能分析
通过H
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-TPR、XPS、TG-MS等表征手段，揭示了碳层与In
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电子结构随碳层厚度的变化规律，发现电子从In
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向碳层的有效转移，实现了电子结构的成功调控。
催化性能测试显示，未包覆的In
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催化剂活性较低，而随着碳层厚度的增加，催化性能逐步提升，其中In
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@C-30展现出最优性能。通过原位EIS、DRT等电化学表征分析证明了In
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@C-30在CO
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RR过程中拥有最快的电荷转移能力。
结合原位ATR-SEIRAS与DFT计算，深入探究了反应机理，揭示了*OCHO中间体在CO
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RR至HCOOH过程中的关键作用，以及碳层对In
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的p轨道电子构型的优化效果。
此外，通过对比In
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与In
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@C-30反应前后的形貌结构与价态变化，证明了碳层对In
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活性组分的保护作用，显著提高了催化剂的稳定性。
本研究通过原位CVD技术成功制备了碳层厚度可控的In
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@C催化剂，系统研究了碳层厚度对In
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电子结构的调控机制及其与CO
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RR性能的构效关系。本研究不仅为催化剂电子结构的精确调控提供了新思路，也为高效催化剂的开发提供了重要参考。未来，这一策略有望进一步拓展至其他催化剂体系，为CO
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还原反应的高效转化开辟新途径。
Regulating
p
-orbital electronic configuration of
In
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by thickness-controlled carbon layer for efficient
electrocatalytic CO
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reduction to HCOOH; Applied Catalysis B:
Environment and Energy, 361 (2025) 124596;
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124596
苗智超
博士，山东理工大学副教授，硕士生导师。主要从事CO
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电催化还原、多相催化、多孔材料制备及应用等方面的工作。近年来以第一/通讯作者在Chem. Commun.，
Appl.
Catal. B-Environ.，
Chem. Eng. J.等期刊发表学术论文20篇，主持山东省自然科学基金青年基金一项。
周晋
博士，山东理工大学教授，博士生导师。山东省青年泰山、山东省杰出青年科学基金获得者。主要从事超级电容器、锂离子电容器、锂氟化碳电池、CO
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捕集与电催化还原等方面的工作。近年来以第一/通讯作者在Energy Environ. Sci.、Adv. Fun. Mater.、
Appl.
Catal. B-Environ.、
J. Mater. Chem. A等期刊发表学术论文50余篇，主持国家级、省级等各类科研项目20余项。
禚淑萍
博士，山东理工大学教授，博士生导师。主要从事电化学储能、CO
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捕集与电催化还原等方面的工作。近年来以通讯作者在Energy Environ. Sci.、
Appl.
Catal. B-Environ.、
Carbon、J. Power Sources等期刊发表学术论文90篇，主持国家级、省级等各类科研项目20余项，获省部级奖励2项。
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