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CO2電化學還原對於緩解大氣中高濃度CO2帶來的環境等問題具有巨大的應用前景，同時也可以獲得高價值的化工原料和能源燃料。甲酸鹽作為其中最重要的還原產物之一，已經被廣泛應用於眾多工業領域中。此外，技術經濟的分析結果表明，雙電子產物 (CO和甲酸鹽) 是目前經濟最可行的還原產物。因此，開發新型高效的電催化劑對CO2高效選擇得到甲酸鹽產物是非常必要的。
近年來，鉍基催化劑在CO2電化學還原中對甲酸鹽表現出優異的催化活性。但是，鉍基催化劑在空氣中很容易發生自發氧化，而氧元素的存在和作用在CO2還原中並沒有被進一步地解釋說明。因此，探究鉍基催化劑中氧元素對CO2還原製備甲酸鹽的本徵活性和反應路徑具有重要的意義。
近期，華中科技大學夏寶玉教授（點擊查看介紹）等人利用強化Bi2O3中Bi-O晶體結構的思路，通過原位拉曼表征和密度泛函理論計算，探究Bi-O晶體結構在CO2電化學還原中對催化性能的影響，以及其對本徵活性和反應路徑的變化。
通過對還原產物的結果分析，強化後的Bi-O結構在CO2還原過程中對甲酸鹽具有更好的催化活性和選擇性。同時，原位拉曼結果直接證明了強化後的Bi-O結構在CO2還原過程中是始終存在的。最後，利用理論計算和電化學測試表明，存在Bi-O結構的Bi2O3和Bi2O3衍生物對CO2有更強的吸附作用，同時證明金屬Bi在CO2還原中的決速步主要由第一個電子轉移路徑控制，而Bi2O3和Bi2O3衍生物的決速步是由之後的加氫步驟控制。
圖1. Bi和不同氧化時間的Bi2O3在CO2電化學還原中性能測試
圖2. Bi和Bi2O3在CO2還原中的TEM, XRD和原位Raman的表徵結果
圖3. Bi和Bi2O3的理論計算和電化學測試結果
該工作深入探究了 Bi-O晶體結構在CO2還原過程中的變化以及對反應路徑中決速步的影響，從反應機理的角度為發展高效的CO2還原電催化劑提供新思路。這一成果近期發表在ACS catalysis 上。
Bismuth Oxides with Enhanced Bismuth–Oxygen Structure for Efficient Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide to Formate
Peilin Deng, Hongming Wang, Ruijuan Qi, Jiexin Zhu, Shenghua Chen, Fan Yang, Liang Zhou, Kai Qi, Hongfang Liu, Bao Yu Xia*
ACS Catal., 2020, 10, 743-750, DOI: 10.1021/acscatal.9b04043
導師介紹
夏寶玉
https://www.x-mol.com/university/faculty/65883
參考文獻
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