在電催化CO2還原反應（CO2RR）的產物中，甲酸/甲酸鹽是一種關鍵的可再生化工原料的中間體和潛在的儲氫材料，引起許多領域的關注。近年來，鉍基材料由于無毒無害、價格低廉，在CO2RR電催化反應展現出強的穩定中間體的能力，具有大的氫析出電位以及低的一氧化碳（CO）吸附能，被認為是潛在的工業催化劑。目前，許多鉍基催化劑在電催化還原CO2制甲酸/甲酸鹽的反應中展現出很高的選擇性，但仍然面臨著電流密度較低，長時連續使用的穩定性問題。實現CO2的工業級轉化，通常至少要求電催化反應的電流密度達到200mA/cm2以上，長時穩定性為數百小時。
近期，中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室朱起龍課題組利用模板策略和電化學拓撲轉化法構，筑具有三維多孔網絡狀的原子薄層鉍烯超結構（Bi-ene-NW），并將其用作薄膜電極用于CO2電還原應用。Bi-ene-NW具有豐富的邊緣缺陷位點、高度暴露的活性中心、良好的質量和電子傳遞等特點，在H型電解池中展示出大的電流密度、高的甲酸鹽選擇性（~95%）和局部電流密度（＞80mA/cm2），陰極能量效率能達到65%，甲酸鹽產率達到1028mmol/h/g。同時，在100mA/cm2的電流密度下可平穩持續運行500h以上，相比先前報道Bi基催化劑展現出明顯優勢。另外，為避免CO2溶解度低導致的質量傳遞問題，該研究將Bi-ene-NW制成氣體擴散電極用于液流電解池，CO2還原電流密度提高到600mA/cm2。在KHCO3溶液中，Bi-ene-NW電極可在200mA/cm2的商業電流密度下連續運行110小時，并保持高的甲酸鹽選擇性，展現出潛在的商業使用價值。通過工況條件下的原位全反射紅外光譜（operando ATR-IR）和理論計算，研究進一步闡明，Bi-ene中粗糙的面邊緣和面內孔隙邊緣的豐富缺陷位點有利于穩定*OCHO中間體。
相關成果發表在Energy & Environmental Science 上。研究得到國家自然科學基金等資助。
原子薄層鉍烯三維多孔網絡的構筑及CO2電還原應用
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