高效電化學(xué)CO2還原反應(yīng)(CO2RR)生產(chǎn)高附加值甲酸鹽產(chǎn)品是一個有吸引力但仍具有挑戰(zhàn)性的研究課題。其中，Bi、Sn、In、Pd和Pb基材料是選擇性CO2轉(zhuǎn)化為甲酸鹽的有效催化劑候選材料，因為它們對關(guān)鍵的*OCHO中間體具有較好的吸附性能。然而，由于在安培級總電流密度(|jtotal|)下電解時的法拉第效率(FE<80%)較低，所報道的生產(chǎn)甲酸鹽(|jformate|)的部分電流密度通常低于1 A cm?2。此外，由于催化位點不足，該反應(yīng)所需的過電位仍然很高，無法同時穩(wěn)定*OCHO的結(jié)構(gòu)和抑制H2的生成。
基于此，復(fù)旦大學(xué)鄭耿鋒和商丘師范學(xué)院羅干等開發(fā)了一種具有高暴露(110)面和硫陰離子和鈉離子同時改性的金屬鉍納米片(Bi(110)-S-Na)，用于高選擇性電催化CO2轉(zhuǎn)化為甲酸鹽。電化學(xué)CO2RR測試結(jié)果顯示，Bi(110)-S-Na催化劑在?0.64 V時，總電流密度達(dá)到?1 A cm?2，甲酸鹽的法拉第效率和部分電流密度分別為95.8%±2.8%和958±28 mA cm?2；當(dāng)總電流密度上生到?3 A cm?2時(?1.36 V)，甲酸鹽的法拉第效率和部分電流密度分別為83.5%±2.5%和2505±75 mA cm?2。此外，Bi(110)-S-Na還具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，其在?1 A cm?2電流密度下連續(xù)電解4000 s，甲酸鹽的法拉第效率從96%下降到80%；在?600 mA cm?2下連續(xù)電解30小時，甲酸鹽的法拉第效率穩(wěn)定保持在85%，并且反應(yīng)催化劑形貌沒有發(fā)生明顯變化。實驗結(jié)果和理論計算表明，Bi(110)面上*OCHO的形成能低于Bi(012)面，表明Bi(110)面對甲酸途徑表現(xiàn)出比Bi(012)更高的活性。此外，硫陰離子和鈉離子的共修飾改善了Bi-Bi金屬鍵，增強(qiáng)了*OCHO的電子局域化，并促進(jìn)了水的活化形成H*中間體，從而在抑制H2產(chǎn)生的同時提高了甲酸的選擇性。總的來說，該項工作設(shè)計和制備具有高度暴露(110)面金屬鉍納米片，并利用硫陰離子和鈉陽離子共同改性，這提高了目標(biāo)產(chǎn)物的部分電流密度以實現(xiàn)高速率CO2電合成甲酸鹽。Ampere-level CO2-to-formate Electrosynthesis Using Highly Exposed Bismuth(110) Facets Modified with Sulfur-anchored Sodium Cations. Chem, 2023. DOI: 10.1016/j.chempr.2023.05.008
