燃料化学学报（中英文）

一步电还原法制备Cu-Sn合金催化剂实现高效电还原CO₂制备甲酸盐

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苗家赫 ¹^,²^,³ , 杨颂 ¹ , 胡昊 ²^,³ , 白亚东 ¹^,^* , 杨言言 ²^,³^,^* , 余钟亮 ²^,³

燃料化学学报（中英文） | RESEARCH PAPER 2026,54(3): 20250259-468-20250259-477

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燃料化学学报（中英文） |RESEARCH PAPER 2026 , 54 (3) : 20250259-468 -20250259-477

一步电还原法制备Cu-Sn合金催化剂实现高效电还原CO₂制备甲酸盐

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苗家赫¹^,²^,³, 杨颂¹, 胡昊²^,³, 白亚东¹^,^*, 杨言言²^,³^,^*, 余钟亮²^,³

作者信息

¹太原理工大学化学与化工学院, 山西太原 030024

²上饶师范学院化学与环境科学学院, 江西上饶 334001

³江西省教育厅黑滑石功能材料制备与应用重点实验室, 江西上饶 334001

通讯作者:

E-mail: baiyadong@tyut.edu.cn

yangyy0927@163.com

作者简介:

苗家赫（2001），硕士，学生，研究方向为电催化还原CO₂制甲酸，miaojiahe@shanxilongxing.cn miaojiahe@shanxilongxing.cn

白亚东（1980），博士，高级实验师，主要从事化工计算以及工业催化剂的制备和表征等方面的研究，尤其是制备合成多级孔SAPO-34以及小晶粒SAPO-34催化剂的相关研究，baiyadong@tyut.edu.cn baiyadong@tyut.edu.cn

杨言言（1983），博士，副教授，主要从事电驱动膜技术回收废弃物中的有价离子及电催化剂的制备和表征等方面的研究，yangyy0927@163.com yangyy0927@163.com

Fabrication of Cu-Sn alloy catalysts via one-step electrodeposition for efficient electroreduction of CO₂ to formate

Jiahe MIAO¹^,²^,³, Song YANG¹, Hao HU²^,³, Yadong BAI¹^,^*, Yanyan YANG²^,³^,^*, Zhongliang YU²^,³

Affiliations

¹Department of Chemical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China

²School of Chemistry and Environmental Science, Shangrao Normal University, Shangrao 334001, China

³Key Laboratory of Preparation and Application of Black Talc Functional Materials, Jiangxi Provincial Department of Education, Shangrao 334001, China

出版时间: 2026-03-10 doi: 10.3724/2097-213X.2025.JFCT.0027

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摘要

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电催化CO₂还原（CO₂ Reduction Reaction，CO₂RR）被视为降低CO₂排放和生产多种高价值化合物的有效途径。本工作采用一步电沉积法制备了类麦穗状枝晶结构的Cu-Sn合金催化剂用于CO₂选择性电还原为甲酸盐。实验结果表明，与Cu和Sn电极相比，因其独特的类麦穗状结构可为反应过程提供大量的活性位点，Cu-Sn合金催化剂对甲酸盐展现出较高的催化活性和选择性，甲酸盐的法拉第效率最高可达80%，并且在−1.7− −2.0 V的电位窗口下均可以达到70%以上的法拉第效率。结合电化学数据及XPS分析表明，Cu原子和Sn原子共同调节了电还原过程中CO₂*⁻中间体的吸附。该制备方法可为CO₂RR设计双金属催化剂提供新的途径。

关键词

CO₂电还原 / 甲酸盐 / 合金 / 电沉积

Abstract

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Electrocatalytic CO₂ reduction reaction (CO₂RR) is regarded as an effective approach to reduce CO₂ emissions and produce various high-value compounds. In this study, a Cu-Sn alloy catalyst with a wheat-ear-like dendritic structure was prepared via a simple one-step electrodeposition method and used for the selective electro-reducing CO₂ to formate. Experimental results demonstrate that, compared to Cu and Sn electrodes, the Cu-Sn alloy catalyst exhibits higher catalytic activity and selectivity toward formate due to its unique wheat-ear-like structure, which could provide abundant active sites for the reaction process. The Faradaic efficiency for formate reaches up to 80%, and remains above 70% within the potential range from −1.7− −2.0 V. Combined electrochemical data and XPS analysis revealed that Cu and Sn atoms collectively modulate the adsorption of the CO₂*⁻ intermediate during the electroreduction process. Therefore, this simple preparation method offers a new pathway for the design of bimetallic catalysts for CO₂RR.

Key words

CO₂ electroreduction / formate / alloy / electrodeposition

引用本文

苗家赫, 杨颂, 胡昊, 白亚东, 杨言言, 余钟亮. 一步电还原法制备Cu-Sn合金催化剂实现高效电还原CO₂制备甲酸盐. 燃料化学学报（中英文）, 2026 , 54 (3) : 20250259-468 -20250259-477 . DOI: 10.3724/2097-213X.2025.JFCT.0027

Jiahe MIAO, Song YANG, Hao HU, Yadong BAI, Yanyan YANG, Zhongliang YU. Fabrication of Cu-Sn alloy catalysts via one-step electrodeposition for efficient electroreduction of CO₂ to formate[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2026 , 54 (3) : 20250259-468 -20250259-477 . DOI: 10.3724/2097-213X.2025.JFCT.0027

正文

收起

近年来，由于化石燃料的大量消耗导致全球范围内CO₂的排放量日益升高^[1]。据相关数据显示，近年来，CO₂每年的排放量已超过百亿吨，由此引发了温室效应加剧、全球变暖、海洋酸化等一系列环境问题^[2]，严重威胁着地球生态系统的平衡和人类社会的稳定。因此，开发高效的CO₂减排技术已经迫在眉睫。在现有的减排路径中，碳捕集与封存技术展现出显著优势^[3−4]，它能够直接从空气或工业气源中捕获CO₂并进行封存从而减少大气的碳负荷，因此，该技术尤其适用于重工业等难脱碳领域，可为能源结构转型提供充足的时间，但其发展受到了高成本和长期封存安全性的制约。在此背景下，将CO₂还原转化为高价值化学品的策略受到了人们的广泛关注^[5]。

目前，CO₂还原技术主要有电催化、光催化以及热催化等，其中，电催化还原CO₂技术因其绿色环保、反应条件温和、可直接利用可再生能源等优势^[6]，被视为实现“碳中和”目标的重要途径之一。二氧化碳还原反应（CO₂ Reduction Reaction，CO₂RR）产物的还原电势极为接近，因电催化的条件不同，CO₂可以转变为多种增值化学品，例如甲酸（HCOOH）^[7−9]、甲醇（CH₃OH）^[10]、甲烷（CH₄）、一氧化碳（CO）^[11]、乙烯（C₂H₄）^[12]、乙醇（C₂H₅OH）^[13]等。其中，甲酸（HCOOH）因其高经济价值和广泛应用而备受关注。迄今为止，人们开发了用于二氧化碳选择性电还原产甲酸盐的各种金属催化剂，例如In基催化剂^[14]、Bi基催化剂^[15]、Sn基催化剂^[16−18]、Cu基催化剂^[19]等。

从目前CO₂RR催化剂的研究现状来看，单金属催化剂虽然制备简便，但存在活性和选择性互斥的问题，如In基催化剂（例如In₂O₃）对甲酸盐的法拉第效率可达85%，但电流密度仅为2−5 mA/cm²。Cu是可以生产多碳产物（例如乙烯，乙醇）且低成本、无毒、对环境友好的二氧化碳电还原催化剂，对于CO₂RR有着较高的电催化活性。然而，其对甲酸盐的选择性不太理想，并且会生成较多的析氢反应副产物，严重挤占了CO₂RR的活性位点^[20]。此外，Sn基催化剂作为主流的甲酸盐合成催化剂，其金属颗粒或SnO₂纳米结构可以达到80%以上的法拉第效率，但其需施加−1.8 V（vs. Ag/AgCl）的高过电位并且质量活性低于8 mA/mg^[21]。Yang等^[22]的研究发现，与金属及其氧化物相比，合金化会产生具有内置电场的电子界面，其通过降低反应能垒调节催化剂对于中间体的吸附能，使催化剂实现了选择性吸附中间体。因此，若将Cu、Sn合金化，从而综合Cu的催化活性以及Sn对甲酸盐的选择性，无疑是提高催化剂电化学性能的有效策略^[23]。

电镀法由于其绿色环保、方便快捷的优点被广泛应用到金属及合金的制备，一般通过电化学还原将金属或合金直接沉积在电极基体上。目前，大部分的Cu-Sn合金催化剂采用以下两步法制备：首先铜在导电基体上的生长并进行预处理，在改性后的铜金属上电沉积锡^[24]。该方法制备的催化剂显示出了良好的CO₂RR性能，但制备过程稍显复杂。

基于此，本工作采用一步电沉积法构建了具有类麦穗状晶枝结构的Cu-Sn合金，简化了传统两步法的制备流程。此外，通过恒电位（I−t）、线性扫描伏安法（LSV）、循环伏安法（CV）等电化学测试研究了催化剂的催化活性与选择性。探索了Cu-Sn合金催化还原CO₂产生甲酸盐的机理。

1　实验部分

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1.1　催化剂的制备

碳纸基体预处理：首先将碳纸裁剪为1 cm×1.5 cm的小块，使用乙醇和稀硫酸的混合溶液浸泡后超声清洗干净，目的是增加其亲水性。Cu电极的制备：配置0.1 mol/L硫酸铜溶液，在单室电解槽中使用石墨棒作为对电极，银/氯化银电极（Ag/AgCl/饱和KCl）作为参比电极，在碳纸上采用−0.2 V恒电位电还原沉积600 s制备单质铜电极。Sn电极制备方法同理，配置0.1 mol/L硫酸亚锡溶液，使用−0.8 V恒电位电沉积600 s。铜锡合金电极制备：使用1 mol/L硫酸溶液配置0.1 mol/L的硫酸亚锡（防止硫酸亚锡在水中生成氢氧化锡沉淀），后用该溶液配置0.1 mol/L硫酸铜溶液并加入足量的无水柠檬酸钠（由于Cu²⁺和Sn²⁺的沉积电位相差较多，因此，需加入柠檬酸钠作为络合剂生成金属络合物，使其沉积电位更接近），并在−1 V恒电位下进行电沉积。

1.2　材料表征

使用X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD, MiniFlex600, RIGAKU）分析样品晶体结构，X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS, 美国 Thermo Scientific K-Alpha）分析催化剂的组成元素及价态，扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM, 日本， SU8010）及透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope, TEM, 日本， JEOL JEM-F200）分析样品的微观形貌。

1.3　电化学表征

通过线性扫描伏安法（LSV）、循环伏安法（CV）、恒电位电解测试其电化学性能。所有的电化学表征和测试是在H型电解槽中完成的，其中，对电极和工作电极通过质子交换膜（Nafion N117）隔开，分别用沉积在工作面积为1 cm×1 cm的碳纸上的Cu、Sn及Cu-Sn合金电极作为工作电极，Ag/AgCl和铂片分别作为参比电极和对电极，电解液为0.1 mol/L KHCO₃，除非另有说明，工作电极和对电极的工作面积均为1 cm×1 cm。本项工作可逆氢电极电位均由以下公式校正：

$ {E}\left(\mathrm{R}\mathrm{H}\mathrm{E}\right)={E}(\mathrm{A}\mathrm{g}/\mathrm{A}\mathrm{g}\mathrm{C}\mathrm{l})+0.0592\times \mathrm{p}\mathrm{H}+0.197\; \mathrm{V} $

(1)

LSV在−2−0 V以5 mV/s的扫描速率分别在CO₂饱和和N₂饱和的KHCO₃溶液中进行。CV在−1.2−0 V以5 mV/s的扫描速率在CO₂饱和的KHCO₃溶液中扫描，以得到非法拉第区间，后在非法拉第区间分别以40、80、120、160、200 mV/s扫描速率扫描来确定双电层电容。在CO₂饱和的KHCO₃溶液中，在−1.5、−1.6、−1.7、−1.8、−1.9、−2.0 V电位下进行恒电位电解，在此期间，CO₂气流以10 cm³/min的流量持续通入反应器中，反应结束收集尾气以及液体产物进行分析。

1.4　产物分析

恒电位电解的产物主要通过气相色谱仪（Gas chromatograph, FULI, GC9790Ⅱ）和离子色谱仪（Ion chromatograph，盛瀚CIC-D150型离子色谱仪）来进行检测。其中，离子色谱仪使用在KHCO₃溶液中配置HCOO⁻的标准曲线，后续产品的浓度测试通过该标曲进行计算。气态产物和液态产物计算法拉第效率（FE）的公式如下：

$ {\mathrm{{F}{E}}}=({N}\times {n}\times {F})/{Q} $

(2)

式中：N：产生液态产物(例如HCOO⁻)以及气态产物（例如CO）转移的电子数，数值均为2，n：产生液态产物（例如HCOO⁻）以及气态产物（例如H₂、CO）的摩尔数，F：法拉第常数，取96485 C/mol，Q：恒电位电解期间通过系统的总电量。

2　结果与讨论

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2.1　沉积参数的调节

电沉积法制备过程中，沉积时间以及沉积液中不同离子的比例是对催化剂的合成起到关键作用的参数。因此，分别对比考察了沉积时间和离子比例对催化剂催化性能的影响。首先对Cu²⁺/Sn²⁺物质的量比为1∶1的离子比例下，沉积时间分别为60、600、1000 s的条件下制备的电极进行比较，结果如图1(a)所示。可以发现，600 s制作的电极在−1.7 V可以达到最高的法拉第效率（80%），并且在其他不同电位下的平均法拉第效率也明显比其他制备时间更有优势。在600 s沉积时间下，考察铜锡物质的量比分别为Cu²⁺/Sn²⁺ = 5∶2（命名为Cu5-Sn2）、Cu²⁺/Sn²⁺ = 1∶1（命名为Cu-Sn）、Cu²⁺/Sn²⁺ = 2∶5（命名为Cu2-Sn5）电极的催化性能。

如图1(b)所示，随着沉积液中Sn离子的比例升高，电极性能呈现出先增加后缓慢减小的趋势。这可能是由于当Cu含量过高时，过多的Cu位点易吸附CO₂*⁻中间体形成CO并增强析氢反应，与甲酸盐路径形成竞争^[25]。当物质的量比为1∶1时，Cu与Sn可能形成最优协同，优化了*OCHO中间体的吸附，最高甲酸盐法拉第效率达到了80%。当沉积液中Sn离子含量升高时，不仅Sn离子易水解生成氢氧化锡沉淀，而且过量的单质Sn更易生成SnO_x氧化层，遮蔽了部分活性点位，从而降低甲酸盐生成效率^[21]。

2.2　催化剂结构和形貌分析

由如图2(a)所示的三种催化剂电极的XRD谱图可知，在2θ=54°的峰是碳纸基底的特征峰。金属Sn催化剂在2θ=30.36°、32.022°处出现对应金属Sn的（200）、（101）晶面的特征峰（PDF#01-086-2265），说明了单质Sn的生成。同理，Cu在2θ=43.297°、50.434°的两处特征峰分别对应于（111）、（200）两个晶面，也证明了金属Cu的生成。图2(a)中Cu-Sn合金的XRD谱图，2θ位于30.12°、42.972°、43.283°的三个主特征峰分别对应于Cu-Sn合金的（101）、（110）、（102）晶面。此外，这三个主峰明显在Cu和Sn的主特征峰之间，并且XRD谱图中并未出现杂峰，说明了合金的形成并且具有较高的结晶度。为了进一步研究催化剂表面的元素价态，对样品进行XPS表征分析。如图2(b)所示，在Cu 2p的XPS谱图中，Cu-Sn主要有三个特征峰，位于932和952 eV的特征峰主要归因于合金中所存在的Cu(0)^[5]；另一对在935和955 eV出现的双峰被认为是Cu−O键中的Cu^2+[26]，这与催化剂表面暴露在空气中所导致的轻微氧化有关^[27]。并且在943 eV处出现Cu²⁺的特征峰，这可能是由于制备电极过程中，提供Cu源的硫酸铜溶液所残留的。尽管在Cu和Cu-Sn电极中Cu的化学状态相同，但在Cu 2p中从Cu-Sn观察到轻微的正移，表明合金化后Cu的电荷重新分布，电子可能从Cu转移到Sn^[28]。图2(c)所示，在Sn 3d光谱中，Sn和Cu-Sn都显示出487.03和495.46 eV代表SnO_x的特征峰，以及485.36和493.8 eV的肩峰分配给了Sn(0)，表明在样品表层中SnO_x的含量较高^[5]。

为了研究催化剂的微观形貌，对三种催化剂进行了SEM表征，如图3(a)−(d)所示为Cu、Sn以及Cu-Sn合金的表面形貌，可以明显观察到Cu电极具有少量的结块（图3(a)），Sn是以尺寸大约250 nm的球形颗粒分散黏附在碳纸纤维上（图3(b)）。Cu-Sn合金则是形成类麦穗状枝晶结构，并且上面带有大量的纹路，这可为反应提供更多的活性位点。从Cu-Sn合金的TEM图像（图3(f)）可以看到，Cu-Sn合金的微观结构显示出向两侧伸长的类似麦穗的枝晶形貌，这种结构可以提供更多的电极比表面积^[29]，有利于催化反应的进行。同时，从枝晶的高分辨透射电镜照片（图3(e)）可观察到间距为0.239 nm的晶格条纹，恰好对应于XRD谱图中特征峰（102）晶面，进一步证实了Cu-Sn合金的形成。此外，通过图3(g)−(i)中Cu-Sn合金的元素分析结果可以看出，Cu和Sn元素在合金枝晶中的分布非常均匀。

2.3　电化学性能分析

将一个三电极体系H型电解槽（对电极为Pt片，参比电极为Ag/AgCl）与辰华电化学工作站相连，向阳极室和阴极室分别注入35 mL 0.1 mol/L KHCO₃，在测试电化学性能之前，向阴极液持续以10 cm³/min的流量通入1 h的CO₂使溶液达到饱和，并且在整个反应过程中保持CO₂的供应。首先在−1.2− 0 V进行了CV扫描，目的是去除催化剂表面可能出现的氧化物，并对催化剂进行活化。如图4(a)所示，在N₂氛围下，Cu电极在约−0.9 V表现出强烈的析氢电流，并且在CO₂氛围下，电流明显变大，但未观察到明显的CO₂还原峰，这表明在Cu的表面CO₂RR和析氢反应竞争激烈。与Cu电极相比，Sn电极如图4(b)所示，在−0.8 V的电位下可以观察到明显的还原峰，这归因于CO₂还原生成HCOO⁻的关键途径，表明Sn电极对HCOO⁻具有更高的选择性^[30]。如图4(c)所示，Cu-Sn合金不仅在CO₂氛围下表现出最大的电流密度，其还原电位与Sn相比均略微正移，这表明，合金化降低了CO₂RR的还原过电位，提高了反应动力学。同时，更高的电流密度也初步证明了Cu、Sn之间的双金属协同效应，有效提升了整体的CO₂RR活性。此外，根据CV曲线氧化还原峰的电位，便于选择非法拉第区间进行不同扫速的CV测试以进一步计算双电层电容C_dl。如图5(a)−(c)所示，综合三种催化剂的氧化还原电位选择−0.55− −0.45 V作为非法拉第区间，并在此区间内分别以40、80、120、160、200 mV/s的扫速进行CV测试。图5(d)显示Cu的双电层电容为0.08 mF/cm²，Sn的双电层电容为0.054 mF/cm²，Cu-Sn的双电层电容为1.57 mF/cm²。此外，根据公式(3)计算电化学活性面积（Electrochemical Active Surface Area，ECSA）。Cu电极的ECSA为2 cm²/cm²；Sn电极的ECSA为1.35 cm²/cm²；Cu-Sn合金的ECSA为39.25 cm²/cm²，是Cu电极的19.6倍、Sn电极的29.1倍。该结果证实了Cu-Sn合金的类麦穗状枝晶结构显著增大了电化学活性面积，可为CO₂RR提供更多活性位点。

$ {\mathrm{ECSA}}={C}_{{\mathrm{dl}}}/{C}_{0} $

(3)

式中：C₀为单位真实表面积的标准双电层电容，在0.1 mol/L KHCO₃溶液中取0.04 mF/cm²。

而后分别在N₂和CO₂饱和的KHCO₃溶液中在−2−0 V进行LSV测试，如图6(a)所示。铜锡合金的电流密度要明显高于单金属Cu和Sn电极，在−2− −1.2 V，随着电位的升高，电流密度快速增大，并在−0.7− −0.5 V条件下，一些催化剂会出现明显的阴极峰，这可能归因于电极表面氧化物的生成，例如氧化锡或氧化铜。每种催化剂在CO₂饱和的KHCO₃溶液中的电流密度明显要高于在N₂饱和的KHCO₃溶液中，这揭示了电还原过程中CO₂的参与，并且生成了HCOO⁻或CO等产物，进一步说明了催化剂的催化活性。

如图6(c)所示在不同电位下探讨了三种催化剂对于甲酸盐的法拉第效率。可以发现，Cu虽然对电还原CO₂生产碳氢化合物有不错的催化效果，但是对甲酸盐的选择性要差很多，法拉第效率在−1.6 V时达到最大，但仅为28%。

如图6(d)所示，对于气态产物CO，在−2 V可以达到23%的法拉第效率，这说明Cu对于CO₂RR具有一定的电催化活性。对比而言，Sn则是对甲酸盐的生成具有较高的选择性，如图6(c)、(d)所示，在−1.7 V时可以达到接近70%的法拉第效率，而且相同电位下对于CO的法拉第效率仅为6%。Cu-Sn合金催化剂在−2− −1.5 V的法拉第效率呈现出先增加后减少并在−1.7 V达到最高（80%），这一结果并未低于两步法合成的Cu-Sn合金催化剂^[21,24]。同时，可以明显观察到的是金属Sn电还原CO₂制备甲酸盐的法拉第效率变化趋势几乎和Cu-Sn合金基本相同，这说明Cu-Sn合金的电催化活性可能主要来源于金属Sn及其合金产生的协同效应。从Cu-Sn合金催化剂计算出的气态产物CO的法拉第效率在图6(d)可以看出，CO的法拉第效率最高仅为14%，明显低于金属Cu的23%。因此，对于Cu主要产物为CO而甲酸盐为副产物；对于Sn和Cu-Sn合金，主要产物为甲酸盐，副产物为CO。

对催化剂的稳定性进行了测试，如图7所示。如图7(a)所示，在−1.7 V电位下进行10 h的恒电位电解，记录了电流密度随时间的变化，表明电流密度未发生明显降低或升高，间接说明了Cu-Sn合金电催化性能的稳定性。同时，根据稳定性测试前后Cu-Sn合金的XRD谱图（图7(b)所示），也可以看出反应前后2θ位于30.12°、42.972°、43.283°的三个主特征峰并未发生明显偏移，且无新的杂峰生成，证明合金的晶体结构在反应前后未被破坏。

2.4　机理探讨

电还原二氧化碳过程复杂，首先会生成多种多样的中间体进而转化成为单碳、多碳产物，目前得到普遍认可的转化路径为^[31−32]：

$ \begin{array}{c}{\mathrm{{CO}_{2}+{e}^-\to {CO}_{2}{ \text{*} }^-}}\end{array} $

(4)

$ \begin{array}{c}\mathrm{CO_2\text{*}^-\left(ads\right)+H^+\to OCHO\text{*}\left(ads\right)}\end{array} $

(5)

$ \begin{array}{c}\mathrm{OCHO\text{*}\left(ads\right)+e^-\to HCOO^-\left(ads\right)}\end{array} $

(6)

$ \begin{array}{c}{\mathrm{{HCOO}^-\left(ads\right)\to {HCOO}^-\left(aq\right)}}\end{array} $

(7)

其中，*是代表物质可吸收的活性位点，CO₂分子溶解于电解质中作为CO₂*吸附在电极表面，并通过一个电子转移生成CO₂*⁻（式（4）），经过质子迁移生成*OCHO中间体（式（5）），后再得到一个电子生成吸附态的HCOO⁻（式（6）），经过电极的解吸及脱附扩散到溶液中（式（7））^[33]。其中，CO₂*⁻自由基阴离子经历质子化，在碳原子上加氢，形成关键的中间体*OCHO，此外加氢步骤中还分为表面氢（*H）和溶解氢（H⁺）两种加氢方式。研究表明，由于C−H键极性比O−H键更小，使得表面加氢更加有利^[34]。为了验证该过程的速率决定步骤（Rate-Determining Step，RDS），对LSV曲线进一步处理可得到塔菲尔斜率，如图6(b)所示。一般来讲，更低的塔菲尔斜率对应更快的反应动力学，但不同的塔菲尔斜率控制着不同的RDS。并且，研究表明塔菲尔斜率约为120 mV/dec时，RDS发生在第一个电子转移到CO₂*期间，通过结合低电荷电阻增加的电化学活性面积进一步增强电子传输^[35]。上述结果表明，Cu-Sn合金是比Cu和Sn更合适有效的电催化剂，其内在原因可归因于Cu和Sn原子之间独特的电子与几何协同效应。XPS表征中Cu 2p结合能的正移表明了电子的转移，这种电子重新排布有效的变动了催化剂表面对关键中间体CO₂*⁻的吸附能，使其既足以稳定中间体以进行后续反应，又可促使甲酸盐产物顺利的脱附，平衡了反应活性和选择性。同时，Cu-Sn合金的双电层电容值显著高于单金属，这依赖于合金独特的树枝麦穗状结构极大地增加了电化学活性面积，Cu和Sn的共存在表面形成了独特的双金属活性位点：Sn位点负责吸附和活化CO₂分子，Cu促进水分子解离以提供质子，两者协同降低了中间体*OCHO形成的能垒，抑制了析氢反应，使反应选择性的导向甲酸盐路径。因此，Cu-Sn合金的高性能源于Sn提供的本征选择性以及Cu提升的导电性及反应活性，最终实现在宽电位窗口对甲酸盐的高效选择性电合成。

3　结　论

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通过一步电沉积法制备了具有类麦穗状的枝晶结构的Cu-Sn合金。与单纯的Cu和Sn电极相比，Cu-Sn合金对CO₂RR具有更高的催化活性，甲酸盐的法拉第效率最高可以达到80%以上，并且在较宽的电位窗口（−2− −1.7 V）内保持70%以上的法拉第效率。此外，在恒电位I−t测试中可以保持较高的稳定性。这一良好的CO₂RR性能可能归因于Cu-Sn合金独特的类似麦穗的枝晶结构可以提供更大的电化学活性面积，有利于在反应时吸附更多的CO₂以及Cu、Sn的合金化调节了电子结构和CO₂*⁻的结合强度，优化了CO₂*⁻的吸附并促进其后续质子化生成*OCHO中间体，提高了甲酸盐的选择性。本研究有望为双金属合金化调节电子结构控制CO₂高效电还原制备甲酸盐研究提供一定的参考。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2026年第54卷第3期

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doi: 10.3724/2097-213X.2025.JFCT.0027

接收时间：2025-09-28
首发时间：2026-09-23
出版时间：2026-03-10

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收稿日期：2025-09-28
修回日期：2025-10-25
录用日期：2025-11-07

基金

作者信息

¹太原理工大学化学与化工学院, 山西太原 030024

²上饶师范学院化学与环境科学学院, 江西上饶 334001

³江西省教育厅黑滑石功能材料制备与应用重点实验室, 江西上饶 334001

通讯作者:

E-mail: baiyadong@tyut.edu.cn

yangyy0927@163.com

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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