镍富集阴极材料中一次颗粒尺寸对扩散动力学及循环稳定性的调控机制研究

本文通过熔融-氧化热处理-电还原三步法制备了Cu-5Ga-xSn合金催化剂，系统研究了Sn含量对CO2电还原（CO2RR）性能的影响。研究发现2wt% Sn含量的Cu-5Ga-2Sn在-1.0 VRHE电位下可实现约80%的甲酸（HCOOH）法拉第效率（FE），同时将析氢反应（HER）效率抑制至10%。密度泛函理论（DFT）计算揭示其优异性能源于*OCHO中间体的特殊稳定性。

　　

Highlight

Cu-5Ga-xSn催化电极的表面特性

图1展示了不同Sn含量的Cu-5Ga-xSn板材经500℃氧化热处理2小时及电还原后的表面形貌。氧化热处理后，初始Cu-5Ga-2Sn合金板（图1a）形成絮状纳米多孔结构（图1b），而电还原后该结构转变为致密纳米颗粒簇（图1c）。相比之下，Cu-5Ga-6Sn合金板在氧化热处理后呈现明显不同的表面特征（此处省略具体描述）。

讨论

Cu-5Ga-2Sn样品在氧化还原处理前后EDS结果的微小变化表明，该工艺未显著改变表面Ga和Sn浓度，这为构建反应热力学模型提供了基础。在面心立方纯Cu的CO₂电还原过程中，甲酸（HCOOH）生成存在两条主要路径：（1）CO₂→COOH→HCOOH；（2）CO₂→OCHO→HCOOH。

结论

通过熔融-氧化热处理-快速电还原三步法成功制备了不同Sn含量的Cu-5Ga-xSn合金板。当Sn含量降至2wt%时，表面形成致密纳米颗粒簇。XRD和XPS分析证实，处理后Cu-5Ga-2Sn合金表面主要由金属态Cu、Ga和Sn氧化物组成。在-1.0 V_RHE电位下，该催化剂对HCOOH的平均法拉第效率达80%，总电流密度约-20 mA cm^?2，同时将HER效率抑制至10%。DFT计算表明，其优异性能源于*OCHO中间体在合金表面的特殊稳定性，以及Sn元素赋予的强效析氢抑制能力。