电化学还原CO2制备化工原料可以缓解日益严峻的能源和环境危机。在众多还原产物中，甲酸/甲酸盐在制革、纺织和制药行业有着广泛的应用。而Sn基催化剂因其选择性高，毒性低，丰度大和成本低等优点而备受关注。
非金属掺杂可以通过诱导电子转移调节催化中间体在金属活性位点的吸附能，从而有效调控催化剂对特定产物的催化活性和选择性。然而，不同于电化学析氢反应(HER)中较低的过电位，CO2电化学还原反应通常需要更负的电极电势。因此，关于非金属掺杂剂在CO2还原电位下的浸出和催化剂动态演变的研究对于深入理解其在CO2电还原中的调控机理尤为重要。
近日，新加坡南洋理工大学/香港城市大学刘彬教授，新加坡国立大学Sibudjing Kawi教授和苏州科技大学杨鸿斌教授合作，通过简便的室温水解策略合成了卤素掺杂的Sn催化剂。原位拉曼结果证实了卤素（氯）掺杂在CO2还原电位下的稳定存在和催化剂从氧化态到金属态的动态转变过程，进而确认了电化学催化CO2还原的活性位点。原位红外和密度泛函理论计算结果表明，稳定存在的Cl掺杂可以诱导电子转移，获得高价Snδ+位点，从而优化其对甲酸盐中间体的吸附并降低反应路径的能垒。为了验证该策略的普适性，其他卤素也可以通过类似的室温水解策略被掺杂到Sn基催化剂中，并展现出优秀的甲酸盐催化活性和选择性。
图1 (a) SnO2和(b) Sn3O(OH)2Cl2在不同还原电位下的原位拉曼光谱。(c) Sn3O(OH)2Cl2在不同还原电位下的ATR-SEIRAS光谱，(d) Sn3O(OH)2Cl2在在-0.9 V vs. RHE下保持不同时间的ATR-SEIRAS光谱。 与图1(a)中SnO2在还原电位下的动态演变结果相比较，Sn3O(OH)2Cl2（图1(b)）中的弯曲振动ν5(Cl-Sn-Cl)和对称拉伸ν2(Sn-Cl)随电位变负逐渐增强，表明Cl在Sn催化剂中的稳定存在。而在原位红外结果中(图1(c)), 位于1410 和2852cm-1处的吸收峰可归因于双齿*OCHO中的O-C-O振动和C-H伸缩振动，这证实了Cl掺杂Sn催化剂对甲酸/甲酸盐的特征吸附。在图1(d)中，所有吸附特征峰随均不随时间变化，表明了稳定的催化剂结构和对甲酸盐路径的催化稳定性。 综上所述，该工作通过简便的室温水解策略合成用于电化学CO2还原制甲酸盐的的卤素掺杂Sn催化剂。原位拉曼和原位红外结果证实了卤素（氯）掺杂在CO2还原电位下的稳定存在，以及催化剂的动态转变过程。最后密度泛函理论计算结果表明，Cl掺杂可以诱导电子转移，获得高价Snδ+位点，从而优化其对甲酸盐中间体的吸附并降低反应路径的能垒。这项工作揭示了卤素掺杂在CO2还原电位下对Sn基催化剂的调控机理，并为开发高效CO2电还原催化剂提供简便高效的新思路。 论文信息 Halogen-Incorporated Sn Catalysts for Selective Electrochemical CO2 Reduction to Formate Tian Wang, Jiadong Chen, Xinyi Ren, Jincheng Zhang, Jie Ding, Yuhang Liu, Kang Hui Lim, Junhu Wang, Xuning Li, Hongbin Yang, Yanqiang Huang, Sibudjing Kawi, Bin Liu Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202211174
