合成氣（CO+H2O）可通過調節CO與H2O的組成比例，在工業生產上通常用於合成液體燃料。而通過不可再生的化石燃料作為製備合成氣的主要來源，不僅對環境造成汙染，而且排放大量的溫室氣體。使用可再生能源（例如太陽能）得到的電能將CO2轉化為高附加值的化學品是實現碳循環的理想方法，因此開發高效且高選擇性的電催化劑對於使用該技術至關重要。
近日，哈爾濱工業大學深圳研究生院的邱業君和美國維克森林大學Scott M. Geyer報道了電催化CO2還原為合成氣的最新研究成果。
研究者合成了AgP2納米晶電催化劑，與Ag相比，該催化劑催化CO2還原轉化為CO的過電位降低了3倍以上，同時穩定性大大提高。密度泛函理論計算表明，在甲酸中間體形成步驟中，能壘顯著降低；原位X射線吸收光譜（XAS）結果顯示，在AgP2納米晶中，銀的平均價態為+1.08時，可以獲得最大的法拉第效率。由覆蓋了超薄Al2O3和AgP2納米晶的n+p-Si晶片組成的光電陰極實現了產生CO的超低起始電勢（0.2 V）和-0.11 V的CO的光電流密度為-3.2 mA cm-2，展現出優異電催化活性。
該研究成果以“Colloidal silver diphosphide (AgP2) nanocrystals as low overpotential catalysts for CO2reduction to tunable syngas”為題與2019年12月16日發表在國際期刊Nature Communications。
圖文導讀
圖1 AgP2納米晶形貌結構表徵
圖2 電催化CO2還原性能表徵
圖3 CO2RR反應DFT計算
圖4 n+p-Si/Al2O3/AgP2光電化學性能
圖5 n+p-Si/Al2O3/AgP2光電化學性能
本文開發了AgP2納米晶電催化劑，與Ag催化劑相比，CO產生的過電勢明顯降低。AgP2納米晶在500 mV的過電位下實現了CO產生的最大法拉第效率，並且CO：H2的比率調節範圍可從1：3到5：1。DFT計算顯示，與Ag相比，甲酸中間體形成步驟的能壘降低了三倍，從而可在低過電位下產生了高的CO：H2比率。n+p-Si/Al2O3/AgP2組成的光電陰極表現出優異的性能，起始過電位僅為-0.2 V，最大FECO為67％。
Colloidal silver diphosphide (AgP2) nanocrystals aslow overpotential catalysts for CO2 reduction totunable syngas
(Nature Communications，2019，DOI: 10.1038/s41467-019-13388-8)
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