研 究 背 景

電化學(xué)CO2還原反應(yīng)（CO2RR）是將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)樵鲋祷瘜W(xué)品的有利手段，在助力“碳中和”如期實現(xiàn)方面也發(fā)揮著重要作用。然而，目前合成高效CO2RR電催化劑仍然存在較大挑戰(zhàn)。本文通過綠色制備方法合成了一種金屬有機框架材料衍生的碳納米棒負載的表面富氧鉍納米顆粒（SOR Bi@C NPs）催化劑。

該催化劑可在440 mV的寬電位范圍內(nèi)實現(xiàn)大于91%的CO2RR生產(chǎn)甲酸鹽的法拉第效率。非原位XPS和XANES以及原位拉曼光譜表明，原始SOR Bi@C NPs催化劑中的Bi-O/Bi（110）結(jié)構(gòu)在CO2RR過程中可以保持穩(wěn)定。DFT計算表明Bi-O/Bi（110）結(jié)構(gòu)可以促進*OCHO中間體的形成。本工作為CO2RR高效鉍基催化劑的開發(fā)提供了新理念，并為先進電催化劑的探索提供了獨特見解。

文 章 簡 介

基于此，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的陳維教授與南開大學(xué)的張凱研究員合作，在國際知名期刊Nano Letters上發(fā)表題為“Surface-Oxygen-Rich Bi@C Nanoparticles for High-Efficiency Electroreduction of CO2 to Formate”的研究文章。該文章通過綠色制備方法合成了一種金屬有機框架材料衍生的碳納米棒負載的表面富氧鉍納米顆粒（SOR Bi@C NPs）催化劑，該催化劑可在寬電位范圍內(nèi)實現(xiàn)高效CO2RR生產(chǎn)甲酸鹽。

本 文 要 點

要點一：碳納米棒負載的表面富氧鉍納米顆粒構(gòu)建

將固有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的SU-101納米棒在惰性Ar氣氛下炭化，制備了超細SOR Bi@C NPs（圖1a）。SEM顯示SOR Bi@C NPs繼承了SU-101的納米棒形態(tài)（圖1b）。TEM和HAADF-STEM結(jié)果顯示SOR Bi@C NPs為大量直徑約為2~4 nm的超細Bi納米顆粒均勻分布在碳納米棒基體上(圖1c，d) 。XPS和XANES均證實，SOR Bi@C NPs表面存在Bi-O結(jié)構(gòu)。同時，將固有結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定的CAU-17在同樣條件下處理，得到的Bi@C NPs材料Bi表面顯示為非富氧結(jié)構(gòu)。

圖1 SOR Bi@C NPs的結(jié)構(gòu)表征

要點二：表面富氧鉍納米顆粒促進CO2RR過程進行

將SOR Bi@C NPs及Bi@C NPs催化劑分別進行CO2RR測試，結(jié)果表明，SOR Bi@C NPs在CO2RR至甲酸鹽的過程中，與Bi@C NPs相比，在更寬的電位區(qū)間內(nèi)可達到更高的法拉第效率及更高的偏電流密度，并且表現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性能，揭示了Bi-O結(jié)構(gòu)有利于促進CO2RR至甲酸鹽過程進行。此外，通過非原位XPS、XANES及原位Raman表征，證實在CO2RR過程中Bi-O結(jié)構(gòu)仍可保持穩(wěn)定存在。

要點三：Bi-O結(jié)構(gòu)可促進CO2RR中間體的形成

為揭示Bi-O結(jié)構(gòu)對CO2RR的促進作用，文章采用DFT計算，進一步研究了Bi-O結(jié)構(gòu)對活性中心在CO2RR中的影響。結(jié)果表明，與純Bi相比，Bi-O結(jié)構(gòu)對CO2分子吸附更強，更有利于決速步中間體*OCHO的形成。在*OCHO到*HOCHO的轉(zhuǎn)變過程中，中間體由強吸附性轉(zhuǎn)變?yōu)槿跷叫?，有助于產(chǎn)物的脫附。

圖3 SOR Bi@C NPs的催化機理

文 章 鏈 接

Surface-Oxygen-Rich Bi@C Nanoparticles for High-Efficiency Electroreduction of CO2 to Formate

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03573

審核編輯：劉清