Angew. Chem. ：富电子策略稳定CO2•−实现高效CO2电还原

利用绿色可持续的太阳能，将CO₂电催化还原（CO₂RR）为高附加值的甲酸（盐）是缓解目前全球温室效应和能源危机，实现碳中和的一种有前景的途径。然而，目前CO₂RR到甲酸盐的选择性和活性仍然普遍较低，适用环境范围较窄，主要存在以下两个关键问题：（1）作为CO₂RR的第一步，从CO₂到CO₂^•−自由基阴离子的直接电子转移过程需要高达−1.9 V (vs RHE)的电势，这使得CO₂活化成为热力学过程的限制步骤；（2）CO₂分子容易与常用的碱性或中性电解质中的OH⁻反应生成CO₃²⁻或HCO₃⁻，这就降低了CO₂的利用率，甚至会堵塞气体扩散电极（GDE）中的CO₂传输通道。

近日，山东大学程合锋教授、黄柏标教授团队通过电子结构调控策略制备了一种富电子的Bi纳米片（Cu-Bi双金属纳米结构），其中Cu作为电子给体向Bi电子受体提供电子。这种富电子Bi纳米片能够有效促进CO₂的活化，同时实现了全pH范围下的高效CO₂电催化还原。

在−0.8至−1.2 V vs RHE的碱性电解质中，双金属Cu-Bi上的甲酸盐的选择性能够保持>90%，在−1.0 V vs RHE时最大值约为93.2%。同样，在中性和酸性电解质中，甲酸盐的选择性也可以分别在−0.8至−1.1 V vs RHE和−1.0至−1.1 V vs RHE时保持≥90%。与之形成鲜明对比的是，对于HOD-Cu和纯Bi，在酸性、中性和碱性溶液中，在−1.0 V vs RHE时相应的甲酸盐的选择性分别低于52%和82%。

通过Tafel斜率测试发现，富电子Bi纳米片在动力学上更有优势。CO₂^–程序升温脱附测试证明了CO₂与富电子Bi纳米片的结合更牢固。进一步的原位电化学拉曼光谱结合理论计算表明，富电子Bi纳米片能够有效活化CO₂分子，促进了CO₂^•−自由基阴离子中间体的形成，使其进一步质子化形成*OCHO中间体，同时能显著降低CO₂还原到HCOOH产物的能量势垒。该工作提供了一种有效的电子结构调控策略，促进CO₂^•−自由基阴离子的形成，实现₂还原生成甲酸盐的高活性、高选择性和高稳定性。此外，这种电子给体-受体策略可以扩展到其它催化剂，以期实现CO₂还原到特定产物的高性能。

论文信息

Electron-Rich Bi Nanosheets Promotes CO₂^•− Formation for High-Performance and pH-Universal Electrocatalytic CO₂ Reduction

Zaiqi Li, Bin Sun, Difei Xiao, Zeyan Wang, Yuanyuan Liu, Zhaoke Zheng, Peng Wang, Ying Dai, Hefeng Cheng and Baibiao Huang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202217569