南京大学金钟/马晶，最新Nano Energy！

第一作者：Miao Wang, Yating Gu

通讯作者：金钟、马晶

通讯单位：南京大学

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本研究提出了一种可扩展的原位生长策略，用于自组装碳毡支撑的Bi₂O₃分形纳米结构（f-Bi₂O₃/CF），在流动池中实现了对CO₂至甲酸转化的高效电催化性能。在-0.9 V（相对于可逆氢电极，RHE）下，法拉第效率（FE）达到95.1%，并且在工业相关的235.7 mA cm^-2电流密度下，甲酸的FE仍保持在87.7%。

通过密度泛函理论（DFT）计算，催化活性增强归因于通过改变表面电荷分布来增加OCHO*中间体的吸附能。此外，该方法还成功制备了其他CF支撑的金属氧化物催化剂，如CuO、In₂O₃和SnO₂，并通过简短的技术经济分析（TEA）模型展示了在流动池中电催化氢化CO₂为甲酸的经济潜力。

图文导读

图1：f-Bi₂O₃/CF催化剂的设计合成路线。

图2：流动池系统的示意图，f-Bi₂O₃/CF和块状Bi₂O₃催化剂在不同施加电位下的离子色谱图，法拉第效率和部分电流密度的比较，以及f-Bi₂O₃/CF催化剂在20小时长期电催化CO₂还原反应中的性能稳定性。

图3：f-Bi₂O₃/CF和块状Bi₂O₃样品的接触角，线性扫描伏安曲线，循环伏安图，双电层电容，以及电化学阻抗谱（EIS）的Nyquist图，揭示了f-Bi₂O₃/CF催化剂的优越表面润湿性、电导性和反应动力学。

图4：CO₂还原为甲酸的反应路径。

图5：通过相同合成路线制备的其他CF支撑金属氧化物材料（如CuO、In₂O₃和SnO₂）的XRD图谱、XPS谱图、法拉第效率和部分电流密度，证明了合成方法的普适性。

图6：技术经济分析（TEA）模型，评估了使用可再生电力驱动的CO₂加氢过程的盈利潜力。

总结展望

本研究成功开发了一种新型的f-Bi₂O₃/CF催化剂，通过原位自组装技术实现了在流动池中对CO₂至甲酸的高效电催化转化。

该催化剂在高电流密度下展现出优异的法拉第效率和稳定性，且通过DFT计算阐明了其催化活性增强的机制。此外，该合成策略的普适性得到了验证，为设计和制备新型能源转换和存储材料提供了新的思路。研究还通过TEA模型展示了该技术在工业应用中的经济潜力，为实现碳中和目标提供了一种可行的技术路径。

文献信息

标题：In situ self-assembled bismuth oxide fractals enabling highly selective electrosynthesis of formate in flow cells at high current densities

期刊：Nano Energy

DOI：10.1016/j.nanoen.2024.109659