利用可再生能源將二氧化碳(CO₂)和水轉化為碳中性燃料和原料是緩解碳循環的一個重要的解決方案，這促進了能量到分子的轉化技術的發展。甲酸鹽作為一種重要的化學成分，在合成化學和工業中被廣泛地用作還原劑或前體。

此外，基于技術經濟分析，甲酸鹽是電化學CO₂還原反應(CO₂RR)最有前景的目標產物之一。然而，電力合成的低選擇性或低穩定性阻礙了技術的發展。因此，目前迫切需要開發一種高性能的電催化劑，以穩定地達到工業所需的甲酸鹽電流密度并且具有高甲酸鹽法拉第效率(FE)。

基于此，清華大學深研院余強敏和劉碧錄(共同通訊)等人提出了一種簡單的電化學還原策略，將二維銦配位聚合物轉化為單質銦納米片(In-NSs)，該催化劑不負眾望的展現出了優異的催化性能。

根據本文的表征結果可以得知，所得的In-NSs具有良好的晶體結構，并具有超薄結構的優點，可作為電催化CO₂RR的催化劑。根據線性掃描伏安(LSV)曲線可以發現，In-NSs的電流密度高于In-NPs(納米粒子)，這得益于大量活性位點的暴露。此外，In-NSs和In-NPs在CO₂氣氛中均表現出比在N₂氣氛中更高的電流密度，這表明CO₂RR比析氫反應過程更有利。

之后，本文進一步驗證了還原產物在-0.75到-1.74 V不同電勢下的結果，當甲酸鹽FEs超過90%時，CO和H₂的產量有限。更重要的是，In-NSs比球形In-NPs具有更高的甲酸鹽選擇性和更高的甲酸鹽電流密度。值得注意的是，當外加電勢為-1.74 V時，In-NSs的甲酸鹽電流密度最高為360 mA cm^-2，甲酸鹽形成速率超過6800 μmol h^-1 cm^-2，且甲酸鹽FE保持在90%以上。更加令人興奮的是，In-NSs/GDE在-1.12 V時可以達到最優的甲酸鹽FE(96.3%)，在已報道的In基催化劑中排名最佳。

為了更深入地了解催化劑的催化反應機理，本文系統地研究了流池中氣室(P_g)和陰極電解液室(P_c)之間的壓差(ΔP)的影響。當催化劑層完全浸沒在陰極電解液中時，可以認為是淹沒的情況。一般來說，為了有利于形成高效的三相界面，電解液部分包圍了催化劑表面，氣體傳輸通道保持暢通，從而實現快速流動。

在略正的壓差(0.5 kPa)下，本文首先在N₂飽和的0.1 M KOH電解質下通過LSV進行了OH^–的替代吸附，探究了二氧化碳自由基陰離子(CO₂^?-)中間體的結合親和力。測試后發現，In-NSs對OH^–的吸附電位比In NPs低，這說明In-NSs對OH^–的吸附親和力增強。此外，與In-NPs相比，In-NSs具有更大的雙電層電容，這意味著其暴露了大量的CO₂RR活性位點有助于CO₂^?-中間產物的產生。

然而，在壓差為1.0 kPa時出現了明顯的波動，這可能是由于CO₂和離子的質量轉移過程不平衡。在此期間，作為質子源的水被消耗，進而干擾離子流的轉移。當壓力差不足以抵抗催化劑的潤濕傾向時，催化劑表面的潤濕性將迅速恢復。在正壓或負壓差過度失衡的情況下，催化劑層不能有效地與電解質或CO₂氣體接觸，反過來抑制了傳質，限制了催化劑的CO₂RR活性。

總之，微正壓差可以有效調節氣體-催化劑-電解質三相界面局部CO₂濃度和部分潤濕，促進CO₂^?-中間體的生成和穩定，從而使得催化劑具有高選擇性和長期穩定性。本文的工作為制備高效的CO₂RR催化劑提供了一條有前景的途徑。

Two-Dimensional Metal Coordination Polymer Derived Indium Nanosheet for Efficient Carbon Dioxide Reduction to Formate, ACS Nano, 2023, DOI: 10.1021/acsnano.3c01059.

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01059.