隨著全球能源需求持續增長，二氧化碳（CO2）的過量排放導致全球變暖和環境惡化等一系列問題，在此背景下，推動實現“碳中和”目標成為國際社會的普遍共識。利用可再生能源驅動的電催化CO2還原技術，可在溫和條件下將CO2轉化為高附加值化學品，是實現碳減排與資源化利用的有效途徑之一。
甲酸因其易于運輸和儲存以及在液態產物中具備較高的技術經濟性，被認為是最具應用前景的理想還原產物之一，但實現其高效電合成仍面臨催化劑性能和產物分離等多重挑戰。
近日，清華大學深圳國際研究生院副教授吳乾元團隊與合作者在該領域取得重要進展，成功開發出一種新型復合催化材料，并構建了配套電解裝置，實現甲酸的高效、綠色合成，為解決催化劑性能與產物分離難題提供創新性解決方案。相關研究成果發表于《先進科學》。
團隊采用低成本、環境友好的鉍鹽和硅酸鹽為原料，合成了硅酸氧鉍前驅體，并通過電化學方法誘導其發生結構重構，最終形成由金屬鉍簇與碳酸氧鉍組成的復合催化材料。實驗表明，該復合材料表現出優異的甲酸鹽選擇性，其法拉第效率在較寬的電位和電流密度范圍內均保持在90%以上。通過一系列原位與非原位表征手段，團隊揭示了該材料在反應過程中經歷陰離子交換與部分還原的動態重構機制。
理論計算進一步表明，金屬鉍簇與碳酸氧鉍兩相界面處的電荷重新分布優化了關鍵反應中間體的吸附行為，從而提升甲酸的生成效率。
此外，針對電催化CO2還原液體產物與電解質混合、后續分離純化能耗高的瓶頸問題，團隊成功構建了基于固態電解質的電解裝置，實現了無需液相電解質參與的直接電合成。該裝置可連續產出不含鹽類雜質的高純度甲酸水溶液，大幅簡化了產物分離流程。
相關論文信息：https://doi.org/10.1002/advs.202506034