電催化CO₂還原反應(yīng)(CO₂RR)是一種極具前景的減排技術(shù)，它能在溫和可控條件下利用可再生電力將CO₂轉(zhuǎn)化為高附加值燃料和化學(xué)品。然而CO₂電還原涉及復(fù)雜的多電子-質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程，根據(jù)所用催化劑不同會生成CO、甲酸、乙烯和乙醇等多種產(chǎn)物。其中，甲酸因在皮革、農(nóng)藥和橡膠制造等工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而備受關(guān)注。

基于In、Sn和Bi的催化劑能夠促進(jìn)甲酸生成。但是，盡管在形貌設(shè)計(jì)、缺陷工程和元素摻雜等催化劑設(shè)計(jì)方面取得進(jìn)展，在工業(yè)級電流密度(≥500 mA cm^?2)下實(shí)現(xiàn)甲酸高選擇性和穩(wěn)定性仍是巨大挑戰(zhàn)。

近日，北京林業(yè)大學(xué)王強(qiáng)和謝文富等報(bào)道了一種溶劑調(diào)控策略，用于合成非晶態(tài)In基催化劑(InO_x(OH)_3-2x)。與晶態(tài)In₂O₃不同，非晶態(tài)催化劑在CO₂電還原條件下能抵抗完全還原為金屬In，并形成穩(wěn)定的晶態(tài)/非晶態(tài)In/In-OH界面。

這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性轉(zhuǎn)化使得催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化性能：在寬電流密度范圍(-200至-1200 mA cm^-2)內(nèi)，CO₂轉(zhuǎn)化為甲酸鹽的法拉第效率超過93%，并在-800至-1000 mA cm^-2區(qū)間達(dá)到98%的峰值；即使在-200 mA cm^-2條件下連續(xù)運(yùn)行100小時(shí)后，甲酸法拉第效率仍保持在90%左右，顯示出其卓越的反應(yīng)耐久性。

機(jī)理研究表明，在CO₂還原反應(yīng)過程中，In-O結(jié)構(gòu)易被還原為金屬In，而In-OH結(jié)構(gòu)保持非晶態(tài)，從而促進(jìn)形成穩(wěn)定的晶態(tài)/非晶態(tài)In/In-OH界面。

密度泛函理論(DFT)計(jì)算進(jìn)一步證實(shí)，非晶相能促進(jìn)CO₂吸附，而晶態(tài)-非晶態(tài)界面顯著增強(qiáng)了關(guān)鍵中間體*OCHO的結(jié)合，從而提升CO₂RR效率。此外，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了將CO₂還原與廢棄聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料氧化耦合生產(chǎn)甲酸的工藝路線。相較于傳統(tǒng)電解系統(tǒng)，該耦合電解體系能耗降低34.7%，甲酸鹽產(chǎn)率提升49.7%。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，將上述工藝生產(chǎn)的甲酸鹽升級為二甲酸鉀(KDF)，每處理1噸CO₂可產(chǎn)生2261.5美元利潤，充分顯示出該策略在可持續(xù)碳資源化領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

Engineering crystalline/amorphous interfaces for enhanced CO₂ electroreduction. Angewandte Chemie International Edition, 2025.DOI: 10.1002/anie.202509502