上海硅酸鹽所在仿生構建海膽狀納米催化劑研究中獲進展

　　電催化還原CO2產生高附加值的化學品和燃料。而熱力學穩定的CO2難以被活化，制約其催化反應速率。在多數鉍基硫化物中，具有層狀結構和高電子遷移率的硫化鉍（Bi2S3）作為一種窄帶隙（~ 1.3 e V）半導體，已成為在大電流密度下高效轉化CO2的潛在材料。

　　受植物薊三維分級結構形貌特征以及表面通過均勻包覆植物蠟以防止水分過多蒸發及微生物侵襲等功能的啟發，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員陳航榕團隊與復旦大學教授鄭耿鋒合作，通過在3D分級結構的海膽狀Bi2S3納米花表面原位聚合導電聚合物PPy，構建了富S空位的新型Bi2S3-PPy復合電催化劑。該催化劑獨特的類植物薊納米形貌有助于暴露出更多催化活性位點，且其優異的電子導電性和優化的電子結構顯著增強了對反應物CO2分子的吸附和活化以及對反應中間體*OCHO的吸附。

　　研究在流動電解池中的CO2RR性能測試結果表明，Bi2S3-PPy催化劑具有優異的CO2RR催化活性，在–1.2 V vs. RHE電勢下電流密度達到-550 mA cm-2；在-0.78至-1.18 V vs. RHE電勢范圍內維持90%以上的甲酸鹽 （formate）選擇性；同時，在最優電勢-0.98 V vs. RHE下的13 h穩定性測試中，formate選擇性接近100%，電流密度為-300 mA cm-2，展示了良好的工業應用潛力。

　　進一步，研究結合原位ATR-IR光譜解析了CO2RR過程，認為來自電解液的HCO3-和氣體CO2均可參與* OCHO中間體的形成。DFT計算發現，S空位的存在，利于CO2活化；與Bi2S3相比，Bi2S3-PPy的最高電子態更接近費米能級，表明*OCHO中間體的結合強度較高；同時，吸附*OCHO中間體的Bi2S3-PPy的Bi位6p軌道電子數低于*COOH物種的6p軌道電子數，說明電荷更容易從Bi位轉移到* OCHO中間體上，因而利于甲酸鹽產物的生成。

　　相關研究成果以Bio-inspired engineering of Bi2S3-PPy composite for efficient electrocatalytic reduction of carbon dioxide為題，發表在《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）上。研究工作得到國家自然科學基金等的支持。