一种碳纳米棒负载的表面富氧铋纳米颗粒催化剂

研 究 背 景

电化学CO2还原反应（CO2RR）是将CO2转变为增值化学品的有利手段，在助力“碳中和”如期实现方面也发挥着重要作用。然而，目前合成高效CO2RR电催化剂仍然存在较大挑战。本文通过绿色制备方法合成了一种金属有机框架材料衍生的碳纳米棒负载的表面富氧铋纳米颗粒（SOR Bi@C NPs）催化剂。

该催化剂可在440 mV的宽电位范围内实现大于91%的CO2RR生产甲酸盐的法拉第效率。非原位XPS和XANES以及原位拉曼光谱表明，原始SOR Bi@C NPs催化剂中的Bi-O/Bi（110）结构在CO2RR过程中可以保持稳定。DFT计算表明Bi-O/Bi（110）结构可以促进*OCHO中间体的形成。本工作为CO2RR高效铋基催化剂的开发提供了新理念，并为先进电催化剂的探索提供了独特见解。

文 章 简 介

基于此，来自中国科学技术大学的陈维教授与南开大学的张凯研究员合作，在国际知名期刊Nano Letters上发表题为“Surface-Oxygen-Rich Bi@C Nanoparticles for High-Efficiency Electroreduction of CO2 to Formate”的研究文章。该文章通过绿色制备方法合成了一种金属有机框架材料衍生的碳纳米棒负载的表面富氧铋纳米颗粒（SOR Bi@C NPs）催化剂，该催化剂可在宽电位范围内实现高效CO2RR生产甲酸盐。

本 文 要 点

要点一：碳纳米棒负载的表面富氧铋纳米颗粒构建

将固有结构稳定的SU-101纳米棒在惰性Ar气氛下炭化，制备了超细SOR Bi@C NPs（图1a）。SEM显示SOR Bi@C NPs继承了SU-101的纳米棒形态（图1b）。TEM和HAADF-STEM结果显示SOR Bi@C NPs为大量直径约为2~4 nm的超细Bi纳米颗粒均匀分布在碳纳米棒基体上(图1c，d) 。XPS和XANES均证实，SOR Bi@C NPs表面存在Bi-O结构。同时，将固有结构相对不稳定的CAU-17在同样条件下处理，得到的Bi@C NPs材料Bi表面显示为非富氧结构。

图1 SOR Bi@C NPs的结构表征

要点二：表面富氧铋纳米颗粒促进CO2RR过程进行

将SOR Bi@C NPs及Bi@C NPs催化剂分别进行CO2RR测试，结果表明，SOR Bi@C NPs在CO2RR至甲酸盐的过程中，与Bi@C NPs相比，在更宽的电位区间内可达到更高的法拉第效率及更高的偏电流密度，并且表现出非常好的稳定性能，揭示了Bi-O结构有利于促进CO2RR至甲酸盐过程进行。此外，通过非原位XPS、XANES及原位Raman表征，证实在CO2RR过程中Bi-O结构仍可保持稳定存在。

要点三：Bi-O结构可促进CO2RR中间体的形成

为揭示Bi-O结构对CO2RR的促进作用，文章采用DFT计算，进一步研究了Bi-O结构对活性中心在CO2RR中的影响。结果表明，与纯Bi相比，Bi-O结构对CO2分子吸附更强，更有利于决速步中间体*OCHO的形成。在*OCHO到*HOCHO的转变过程中，中间体由强吸附性转变为弱吸附性，有助于产物的脱附。

图3 SOR Bi@C NPs的催化机理

文 章 链 接

Surface-Oxygen-Rich Bi@C Nanoparticles for High-Efficiency Electroreduction of CO2 to Formate

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03573

审核编辑：刘清