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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
作为最有前景的CO2利用途径之一,由可再生电力驱动的CO2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Bi2S3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)、Bi2O2CO3(001)和Bi0团簇修饰的Bi2O2CO3(Bi3/Bi2O2CO3)表面进行DFT计算。电荷分析表明,Bi(111)和Bi2O2CO3(001)表面上的Bi原子电荷分别接近0和+1.32。
Bi团簇对Bi2O2CO3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,Bi2O2CO3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CO2RR转化为甲酸盐中,CO2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,CO2吸附的优化显示CO2的吸附非常弱,CO2与Bi(111)表面之间的距离为3.70 Å。
吸热性表明,CO2活化和HCOO*形成是金属Bi表面上缓慢的步骤。在Bi2O2CO3(001)表面上,CO2与带正电的表面Bi原子之间存在强相互作用。
CO2的更强吸附使得在Bi2O2CO3表面上形成*CO2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Bi2O2CO3都不利于甲酸的形成。
A Nanocomposite of Bi Clusters and Bi2O2CO3 Sheets for Highly Efficient Electrocatalytic Reduction of CO2 to Formate. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202214959.
https://doi.org/10.1002/anie.202214959.
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