【DFT+实验】厦大Nano Energy：原位构建Bi@Bi2O2CO3纳米片，实现安培级CO2电还原制甲酸盐

通过电化学CO₂还原反应(CO₂RR)将CO₂转化为高价值产品为缓解全球环境问题提供了一种可持续的方法。在众多CO₂RR产品中，甲酸/甲酸盐在制药生产和燃料电池中具有较高的应用价值。同时，在用于甲酸盐生产的各种催化剂中，铋基催化剂由于具有无毒性和环境友好性的优点，在CO₂RR电催化反应中引起了广泛的关注。然而，目前仍缺乏具有高选择性、活性和稳定性的铋基电催化剂以满足实际工业应用的需求。

近日，厦门大学田娜和廖洪钢等以BiPO₄为原料，采用电化学原位重构方法设计了Bi@Bi₂O₂CO₃纳米片状催化剂。

实验结果表明，所制备的Bi@Bi₂O₂CO₃催化剂在较宽的操作窗口(300 mV)内甲酸选择性高达90%以上，在-0.9 V_RHE时HCOOH的法拉第效率最高可达100%，以及在−1.1 V_RHE时HCOOH的部分电流密度高达−80 mA cm^-2。

此外，在电流密度为−20 mA cm^-2，电压为−0.8 V_RHE的连续电解过程中，Bi@Bi₂O₂CO₃表现出110 h的优异耐久性，HCOOH选择性达到了90%以上；同时，该催化剂在流动池中的甲酸盐部分电流密度为−1.2 A cm^-2，产率达到22.4 mmol cm^-2 h^-1。

基于实验分析和密度泛函理论(DFT)计算，得出了Bi@Bi₂O₂CO₃上CO₂RR的反应机理：Bi@Bi₂O₂CO₃界面上带正电荷的Bi原子促进了CO₂的吸附和随后加氢形成关键*OCHO中间体；并且Bi@Bi₂O₂CO₃受表面Bi原子与*OCHO的p轨道杂化效应的影响，其*OCHO→*HCOOH的加氢自由能低于Bi(012)和Bi@Bi₂O₂CO₃(001)，这促进了Bi@Bi₂O₂CO₃对CO₂RR转化为甲酸盐的活性。

综上，该项工作报道了一种制备高性能催化剂的电化学转化策略，这为设计和构建高活性、高稳定性催化剂提供了技术指导。

In-situ constructing Bi@Bi₂O₂CO₃ nanosheet catalyst for ampere-level CO₂ electroreduction to formate. Nano Energy, 2023. DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108638

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