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王野/谢顺吉Angew.：Bi团簇和Bi2O2CO3纳米片复合材料助力CO2还原为甲酸盐

时间：2022-11-16 来源： 浏览：

王野/谢顺吉Angew.：Bi团簇和Bi2O2CO3纳米片复合材料助力CO2还原为甲酸盐

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作为最有前景的CO 2 利用途径之一，由可再生电力驱动的CO 2 还原为甲酸将有助于实现碳中和。当前的催化剂在高选择性下具有有限的活性和稳定性，并且活性位点的性质不明确。
基于此， 厦门大学王野教授和谢顺吉教授（共同通讯作者）等人 报道了一种强大的Bi 2 S 3 衍生催化剂，电流密度为2.0 A cm -2 ，在-0.95V vs. RHE下的甲酸盐法拉第效率为93%。
甲酸盐的能量转换效率和单程产率分别达到80%和67%，在工业相关电流密度下，耐久性达到100 h，并已连续生产出浓度为3.5 mol L -1 的纯甲酸。
作者选择了三个模型表面，即Bi（111）、Bi 2 O 2 CO 3 （001）和Bi 0 团簇修饰的Bi 2 O 2 CO 3 （Bi 3 /Bi 2 O 2 CO 3 ）表面进行DFT计算。电荷分析表明，Bi（111）和Bi 2 O 2 CO 3 （001）表面上的Bi原子电荷分别接近0和+1.32。
Bi团簇对Bi 2 O 2 CO 3 表面的修饰显著改变了电荷分布；Bi团簇上顶部Bi原子的Bader电荷为+0.12，Bi 2 O 2 CO 3 上与Bi簇相邻的界面Bi原子失去了对电子的一些控制，并显示出约+1.55的更正电荷。
在CO 2 RR转化为甲酸盐中，CO 2 首先吸附在催化剂表面上，然后通过接受电子和质子还原为甲酸中间体（HCOO*），随后进行还原和解吸以形成甲酸或甲酸盐。在Bi（111）表面上，CO 2 吸附的优化显示CO 2 的吸附非常弱，CO 2 与Bi（111）表面之间的距离为3.70 Å。
吸热性表明，CO 2 活化和HCOO*形成是金属Bi表面上缓慢的步骤。在Bi 2 O 2 CO 3 （001）表面上，CO 2 与带正电的表面Bi原子之间存在强相互作用。
CO 2 的更强吸附使得在Bi 2 O 2 CO 3 表面上形成*CO 2 和HCOO*是放热的，但随后的HCOO*氢化和*HCOOH解吸变得困难。计算表明，无论是单独的金属Bi还是单独的Bi 2 O 2 CO 3 都不利于甲酸的形成。
A Nanocomposite of Bi Clusters and Bi 2 O 2 CO 3 Sheets for Highly Efficient Electrocatalytic Reduction of CO 2 to Formate. Angew. Chem. Int. Ed., 2022 , DOI: 10.1002/anie.202214959.
https://doi.org/10.1002/anie.202214959.
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