一種碳納米棒負(fù)載的表面富氧鉍納米顆粒催化劑

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(shí)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(jī)框架材料衍生的碳納米棒負(fù)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(shí)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(jì)算表明Bi-O/Bi（110）結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)*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(jìn)電催化劑的探索提供了獨(dú)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(jī)框架材料衍生的碳納米棒負(fù)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(shí)現(xiàn)高效CO2RR生產(chǎn)甲酸鹽。

本 文 要 點(diǎn)

要點(diǎn)一：碳納米棒負(fù)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(xì)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(xì)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(shí)，SOR Bi@C NPs表面存在Bi-O結(jié)構(gòu)。同時(shí)，將固有結(jié)構(gòu)相對(duì)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(diǎn)二：表面富氧鉍納米顆粒促進(jìn)CO2RR過程進(jìn)行

將SOR Bi@C NPs及Bi@C NPs催化劑分別進(jìn)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(dá)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(jìn)CO2RR至甲酸鹽過程進(jìn)行。此外，通過非原位XPS、XANES及原位Raman表征，證實(shí)在CO2RR過程中Bi-O結(jié)構(gòu)仍可保持穩(wěn)定存在。

要點(diǎn)三：Bi-O結(jié)構(gòu)可促進(jìn)CO2RR中間體的形成

為揭示Bi-O結(jié)構(gòu)對(duì)CO2RR的促進(jìn)作用，文章采用DFT計(jì)算，進(jìn)一步研究了Bi-O結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)CO2分子吸附更強(qiáng)，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(qiáng)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(jī)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