山大张进涛团队Angew：热驱动可控分散纳米粒子，高效电催化CO2RR！

第一作者：Weijian Guo

通讯作者：张进涛

通讯单位：山东大学

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在二氧化碳（CO₂）电催化转化过程中，由于还原条件苛刻，金属电催化剂的电催化稳定性差且失活快。本文提出了一种热驱动策略，通过简单的水热法和随后的热解过程，实现了铋纳米粒子在氮掺杂碳基中的可控分散（Bi@C700-4）。

这种结构不仅利用了氮掺杂碳基的限域效应降低了铋纳米粒子的表面能量，防止了热处理过程中的自聚集现象，还通过铋纳米粒子与碳基之间的协同效应和限域效应，显著提高了CO₂还原为甲酸的电催化活性和稳定性。

实验观察和理论计算表明，氮掺杂碳基中铋纳米粒子的结合促进了CO₂的活化和关键中间体(*OCHO)的形成，从而增强了电催化活性，甲酸的法拉第效率(FE)约为94.8%，并表现出长时间的稳定性。此外，通过在太阳能驱动系统中耦合阳极5-羟甲基糠醛氧化反应(HMFOR)，实现了81.2%的高2,5-呋喃二甲酸(FDCA)产率，展示了太阳能到燃料的高效转换。

图文导读

图1：不同热解温度和时间下Bi@C-T的演变示意图。

图2：不同催化剂在H型电池中的线性扫描伏安(LSV)曲线、甲酸的法拉第效率(FE_HCOOH)和部分电流密度(j_HCOOH)，以及在1 M KOH和1 M KHCO₃中的LSV曲线、1 M KOH中的FE_HCOOH和Bi@C-700-4在流动电池中的稳定性测试。

图3：Bi@C-700-4电催化剂在CO₂还原反应(CO2RR)中的LSV曲线、多电位步进曲线和差分电化学质谱(DEMS)离子电流信号，原位衰减全反射红外光谱(ATR-IR)谱图，以及CO₂转化为甲酸(HCOOH)和一氧化碳(CO)的吉布斯自由能图和*OCHO中间体及Bi和Bi-NC模型中O的PDOS图。

图4：由太阳能电池驱动的CO₂还原装置的示意图，光电池和电催化电池的电流密度-电压(I-V)曲线，HMF及其氧化产物在氧化反应过程中的浓度变化，以及太阳能驱动CO₂RR中甲酸、氢气和一氧化碳的法拉第效率。

总结展望

本文通过热驱动策略在氮掺杂的多孔碳壳中重新分散铋纳米粒子，有效抑制了纳米粒子的聚集，提高了电催化活性和稳定性。Bi@C700-4催化剂在CO₂还原反应中实现了94.8%的甲酸法拉第效率和长时间稳定性。

此外，通过构建太阳能转换系统，实现了太阳能到燃料的高效转换，HMFOR阳极反应耦合CO₂RR实现了81.2%的高FDCA产率。这项工作不仅提供了一种制备高效稳定催化剂的新方法，而且为先进电催化剂的设计提供了新的视角。

文献信息

标题：Thermal-driven Dispersion of Bismuth Nanoparticles among Carbon Matrix for Efficient Carbon Dioxide Reduction

期刊：Angewandte Chemie International Edition

DOI：10.1002/anie.202401333