张进涛Angew.：纳米铋的热驱动分散用于CO2RR

研究内容

在二氧化碳(CO 2 )的电催化转化中，由于苛刻的还原条件，金属电催化剂的电催化稳定性差和快速失活总是存在的。

山东大学张进涛简单地通过热驱动的扩散过程，展示了超细铋纳米颗粒在中空碳壳中的可控分散(Bi@C-700-4)。纳米铋与氮掺杂碳基体的结合将促进CO 2 的活化和关键中间体(*OCHO)的形成，从而提高了电催化活性，甲酸盐的法拉第效率(FE)约为94.8%，并具有长期稳定性。太阳能驱动系统中5-羟甲基糠醛氧化反应(HMFOR)阳极的耦合使2，5-呋喃二羧酸(FDCA)的产率高达81.2%，表现出优异的太阳能到燃料的转化率。相关工作以“Thermal-driven Dispersion of Bismuth Nanoparticles among Carbon Matrix for Efficient Carbon Dioxide Reduction”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

研究要点

要点1.作者通过简单的水热法和随后的热解法，将Bi的热驱动分散在氮掺杂的碳基质中形成Bi纳米颗粒(Bi@C-700-4)。氮掺杂碳基体的限制效应能够降低铋纳米颗粒的表面能，以对抗热处理中常见的易聚集现象。由于Bi金属的挥发和蚀刻过程，所获得的具有中空和多孔结构的电催化剂将促进传质以增强电催化作用。

要点2.还原过程的原位实验观察和理论计算表明，Bi纳米粒子与碳基体之间的协同效应以及约束效应将促进CO 2 的活化和关键中间体(*OCHO)的容易形成，从而提高电催化活性。

要点3.该催化剂对于CO 2 RR，甲酸盐的FE高达94.8%，在-0.3~1.3V的宽电势范围内超过90%，在流动池中具有良好的长期稳定性。此外，具有5-羟甲基糠醛氧化反应阳极(HMFOR)的太阳能驱动系统实现了FDCA和CO 2 RR的81.2%的产率。

该工作表明，通过热过程原位分散Bi为设计具有稳定和高度分散活性位点的先进电催化剂提供了有效的策略。

研究图文

图1.（a）Bi@C-T在不同的热解温度和时间下的演变方案说明。（b）Bi@C-500-2，（c）Bi@C-700-2，（d）Bi@C-700-4和（e）Bi@C-900-2的TEM。Bi@C-700-4的（f）HRTEM，（g）像差校正的HAADF-STEM，（h）3D地形原子图像，（i）EDX元素图像。

图2.（a）在CO 2 和N 2 饱和的0.5 M KHCO 3 中的LSV。不同催化剂的H电池的（b）FE HCOOH 和（c）j HCOOH 。Bi@C-700-4在流动池中的（d）1 M KOH和1 M KHCO 3 中的LSV，（e）1 M KOH中的FE HCOOH 和（f）稳定性测试。

图3. Bi@C-700-4电催化剂在CO 2 RR过程中的（a）LSV，（b）多电位阶跃曲线和DEMS离子电流信号，（c）原位ATR-SIRAS光谱。CO 2 转化为（d）HCOOH和（e）CO的吉布斯自由能图。（f）*OCHO中间体中的O p和Bi和Bi-NC模型中的Bi p的PDOS。

图4.（a）太阳能电池驱动的二氧化碳减排装置示意图。（b）光伏和电催化电池的I-V。（c）氧化反应过程中产生的HMF和产物的浓度。（d）HCOOH、H 2 和CO的太阳能驱动的CO 2 RR FEs。

文献详情

Thermal-driven Dispersion of Bismuth Nanoparticles among Carbon Matrix for Efficient Carbon Dioxide Reduction

Weijian Guo, Xueying Cao, Dongxing Tan, Bari Wulan, Jizhen Ma, Jintao, Zhang*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202401333