【DFT+实验】陈鹏作团队:双金属Bi-Cu合金纳米片的电子结构调控工程用于高效电催化CO₂还原和Zn-CO₂电池

大气中二氧化碳含量的增加导致了不可忽视的环境问题。电催化CO₂还原反应(CO₂RR)是一项新兴的实现碳中和的有效技术，能够将CO₂可持续转化为增值化学品，可以解决近年来受到广泛关注的能源短缺问题。甲酸是CO₂RR的主要产品之一，是一种用途广泛、易于储存的有机化工原料，具有很高的经济价值。然而，CO₂本身的结构稳定性和析氢反应(HER)的竞争性副反应是不可避免的，这极大地阻碍了CO₂RR对甲酸的转化效率和选择性，导致能量利用率低。因此，需要开发稳定性好、产物选择性高、法拉第效率优异的高活性催化剂，用以实现更好的CO₂RR反应动力学和甲酸产率。

浙江理工大学化学与化工学院的陈鹏作研究员课题组开发了一种简便的电化学共沉积策略，在碳布上合成了双金属Bi₉Cu₁合金纳米片(Bi₉Cu₁/CC)，为电催化CO₂还原反应(CO₂RR)提供了一种新型的自支撑电极。Bi₉Cu₁/CC催化剂在-0.7 V到-1.2 V vs. RHE的宽电位范围内对甲酸盐具有超过90%的高法拉第效率(FE)。此外，以Bi₉Cu₁/CC为阴极驱动的可逆Zn-CO₂电池的最大功率密度为1.4 mW·cm⁻²，且具有良好的工作稳定性。实验表征和电化学结果证实，Cu合金化构建的双金属催化活性位点，增强了Bi₉Cu₁合金纳米片的界面电子转移以实现显著提升的反应动力学过程。此外，原位ATR-IR结果证实双金属Bi-Cu活性位点倾向于遵循*OCHO中间体的电催化转化途径。DFT计算表明，Cu合金化有助于提高Bi费米表面附近的态密度，实现更高的本征导电性，且能优化*OCHO中间体在金属位点上的吸附并异质析氢反应过程，最终使得Bi₉Cu₁合金纳米片展现出优异的CO₂RR催化活性和循环稳定性。

图1.(a) Bi₉Cu₁/CC催化剂的合成示意图、(b) XRD图，（c) Bi 4f 和（d）Cu 2p XPS图。

图2. Bi₉Cu₁/CC合金纳米片的(a-c) SEM, (d-f) TEM, (g) HRTEM和(h)EDS元素分布图。

图3. Bi₉Cu₁/CC催化剂在H-Cell中的电化学性能测试结果。

图4. Bi₉Cu₁/CC电催化剂在Flow-Cell中的电化学性能测试结果。

图5. Bi₉Cu₁/CC催化剂的原位ATR-IR测试和密度泛函理论计算结果。

图6. Bi₉Cu₁/CC电催化剂在Zn-CO₂电池中的应用及性能研究。

Wu W, Zhu J, Tong Y, et al. Electronic structural engineering of bimetallic Bi-Cu alloying nanosheet for highly-efficient CO₂ electroreduction and Zn-CO₂ batteries. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6269-7.