用超薄二硫化锡层加速二氧化碳的化学还原

金泽大学的研究人员在ACSNano上报告了如何使用超薄二硫化锡层来加速二氧化碳的化学还原——这一发现与我们对碳中和社会的追求高度相关。

回收工业过程释放的二氧化碳(CO2)是人类迫切寻求可持续发展、碳中和社会的必要条件。为此，如今广泛研究可将CO2有效转化为其他影响较小的化学产品的电催化剂。一类被称为二维(2D)金属二硫化物的材料是CO2转化的候选电催化剂，但这些材料通常也会促进竞争反应，从而降低其效率。

金泽大学纳米生命科学研究所(WPI-NanoLSI)的YasufumiTakahashi及其同事现在已经确定了一种二维金属二硫化物，它可以有效地将CO2还原为甲酸，甲酸是一种不仅天然存在而且是化学合成中的中间产物的化合物.

Takahashi及其同事比较了二维二硫化物(MoS2)和二硫化锡(SnS2)的催化性能。两者都是二维金属二硫化物，后者特别令人感兴趣，因为纯锡是一种已知的用于生产甲酸的催化剂。这些化合物的电化学测试表明，使用MoS2而不是CO2转化，促进了析氢反应(HER)。HER指的是产生氢气的反应，这在打算生产氢气燃料时很有用，但在减少CO2的情况下，它是一个不需要的竞争过程。另一方面，SnS2表现出良好的CO2降低活性并抑制HER。研究人员还对块状SnS2粉末进行了电化学测量，发现该粉末具有较低的催化CO2还原活性。

为了解催化活性位点在SnS2中的位置，以及为什么二维材料的性能优于本体化合物，科学家们应用了一种称为扫描电化学电池显微镜(SECCM)的方法。SECCM用作纳米移液管，形成弯月形纳米级电化学电池，用于样品上的表面反应传感探针。测量表明，SnS2片的整个表面都具有催化活性，而不仅仅是结构中的“平台”或“边缘”特征。这也解释了为什么2DSnS2与块状SnS2相比具有增强的活性。

计算提供了对正在发生的化学反应的进一步见解。具体而言，当使用2DSnS2作为催化剂时，甲酸的形成被确认为能量上有利的反应途径。

Takahashi及其同事的结果标志着在电化学CO2还原应用中使用二维电催化剂迈出了重要一步。他们表示，“这些发现将为基于金属二硫化物的二维电催化提供更好的理解和设计策略，用于电化学还原CO2以生产碳氢化合物、醇类、脂肪酸和烯烃，而不会产生副产品。”

背景：二维金属二硫化物

二维(2D)金属二硫化物片(或单层)是MX2类型的材料，其中M是金属原子，如钼(Mo)或锡(Sn)，X是硫族原子，如硫(S)。该结构可以表示为一层X原子位于一层M原子之上，又位于一层X原子之上。二维金属二硫化物属于所谓的二维材料类别(也包括石墨烯)，指的是它们极薄。2D材料通常具有与其块状(3D)材料不同的物理特性。

已经研究了二维金属二硫化物的析氢反应(HER)电催化活性，这是一种产生氢的化学过程。但是现在，金泽大学的YasufumiTakahashi及其同事发现，二维金属二硫化物SnS2没有显示出HER催化活性;相反，它是将二氧化碳(CO2)电化学还原为甲酸的催化剂——在减少全球CO2足迹的战略背景下，这是一个极其相关的特性。