大氣中二氧化碳含量的增加導(dǎo)致了不可忽視的環(huán)境問題。電催化CO₂還原反應(yīng)(CO₂RR)是一項(xiàng)新興的實(shí)現(xiàn)碳中和的有效技術(shù)，能夠?qū)O₂可持續(xù)轉(zhuǎn)化為增值化學(xué)品，可以解決近年來受到廣泛關(guān)注的能源短缺問題。甲酸是CO₂RR的主要產(chǎn)品之一，是一種用途廣泛、易于儲(chǔ)存的有機(jī)化工原料，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。然而，CO₂本身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和析氫反應(yīng)(HER)的競爭性副反應(yīng)是不可避免的，這極大地阻礙了CO₂RR對(duì)甲酸的轉(zhuǎn)化效率和選擇性，導(dǎo)致能量利用率低。因此，需要開發(fā)穩(wěn)定性好、產(chǎn)物選擇性高、法拉第效率優(yōu)異的高活性催化劑，用以實(shí)現(xiàn)更好的CO₂RR反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和甲酸產(chǎn)率。

浙江理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院的陳鵬作研究員課題組開發(fā)了一種簡便的電化學(xué)共沉積策略，在碳布上合成了雙金屬Bi₉Cu₁合金納米片(Bi₉Cu₁/CC)，為電催化CO₂還原反應(yīng)(CO₂RR)提供了一種新型的自支撐電極。Bi₉Cu₁/CC催化劑在-0.7 V到-1.2 V vs. RHE的寬電位范圍內(nèi)對(duì)甲酸鹽具有超過90%的高法拉第效率(FE)。此外，以Bi₉Cu₁/CC為陰極驅(qū)動(dòng)的可逆Zn-CO₂電池的最大功率密度為1.4 mW·cm^?2，且具有良好的工作穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表征和電化學(xué)結(jié)果證實(shí)，Cu合金化構(gòu)建的雙金屬催化活性位點(diǎn)，增強(qiáng)了Bi₉Cu₁合金納米片的界面電子轉(zhuǎn)移以實(shí)現(xiàn)顯著提升的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程。此外，原位ATR-IR結(jié)果證實(shí)雙金屬Bi-Cu活性位點(diǎn)傾向于遵循*OCHO中間體的電催化轉(zhuǎn)化途徑。DFT計(jì)算表明，Cu合金化有助于提高Bi費(fèi)米表面附近的態(tài)密度，實(shí)現(xiàn)更高的本征導(dǎo)電性，且能優(yōu)化*OCHO中間體在金屬位點(diǎn)上的吸附并異質(zhì)析氫反應(yīng)過程，最終使得Bi₉Cu₁合金納米片展現(xiàn)出優(yōu)異的CO₂RR催化活性和循環(huán)穩(wěn)定性。

圖1.(a) Bi₉Cu₁/CC催化劑的合成示意圖、(b) XRD圖，（c) Bi 4f 和（d）Cu 2p XPS圖。

圖2. Bi₉Cu₁/CC合金納米片的(a-c) SEM, (d-f) TEM, (g) HRTEM和(h)EDS元素分布圖。

圖3. Bi₉Cu₁/CC催化劑在H-Cell中的電化學(xué)性能測試結(jié)果。

圖4. Bi₉Cu₁/CC電催化劑在Flow-Cell中的電化學(xué)性能測試結(jié)果。

圖5. Bi₉Cu₁/CC催化劑的原位ATR-IR測試和密度泛函理論計(jì)算結(jié)果。

圖6. Bi₉Cu₁/CC電催化劑在Zn-CO₂電池中的應(yīng)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.