?港城大/蘇科大AFM: S改性Bi4O7納米片,促進CO2電還原為甲酸鹽

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電催化CO2RR反應在解決能源短缺和環境污染問題方面具有巨大的潛力。其中,通過雙電子還原過程將CO2轉化為甲酸鹽被認為是氫輸送的最佳解決方案,并且甲酸鹽還可作為燃料電池中的液體燃料。在過去的幾年里,人們一直致力于探索高效的CO2RR催化體系以形成甲酸鹽,其中大多數方法側重于如何促進CO2活化以提高CO2RR的性能。CO2RR涉及多個質子偶合電子轉移反應過程,這可能受到CO2活化和H2O解離的影響。


然而,以往的研究忽視了CO2RR中H2O解離的問題,因為這一過程與HER有關,它在電解過程中與CO2RR發生激烈的競爭。提高H2O離解度有利于HER和CO2RR的進行,但這也會降低CO2RR的選擇性。因此,開發有效的CO2RR電催化體系來促進水分解和抑制HER仍然是一個巨大的挑戰。
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近日,香港城市大學劉彬蘇州科技大學楊鴻斌等制備了S改性Bi4O7納米片(Bi4O7/S),并對其在CO2RR反應過程中的原位相變進行了研究。性能測試結果顯示,Bi4O7/S催化劑在抑制HER的同時促進了CO2RR活性,在?0.7至?0.9 VRHE電位范圍內的甲酸鹽的法拉第效率超過80%,并在?0.8 VRHE時達到91.2%的最高值,相應的甲酸鹽部分電流密度為38 mA cm?2。
此外,Bi4O7/S在?0.8 VRHE下連續電解40小時后,電流密度和甲酸鹽法拉第效率均沒有顯著降低,且反應后檢測到S仍存留在Bi4O7催化劑表面,表明該催化劑具有優異的反應耐久性。
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基于一系列原位表征結果,研究人員提出Bi4O7/S材料的表面S物種可以作為結合位點,在雙電層結構中濃縮靠近Bi活性位點的K+(H2O)n,這種富集觸發H2O活化,導致快速釋放H+。同時,催化劑表面附近K+(H2O)n的富集可以增強CO2的活性。此外,S修飾還可以調節Bi活性位點的電子結構,從而增強CO2吸附并降低*HCOO中間體的形成能壘,這兩者都促進電化學CO2RR產生甲酸鹽。
總的來說,該項工作通過在Bi4O7表面引入S物種實現了有效的H2O解離和CO2活化,這為合理構建用于催化高選擇性CO2RR的催化劑提供了參考范例。
Promoting electrochemical CO2 reduction to formate via sulfur-assisted electrolysis. Advanced Functional Materials 2024. DOI: 10.1002/adfm.202403547



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