高效电化学CO2还原反应(CO2RR)生产高附加值甲酸盐产品是一个有吸引力但仍具有挑战性的研究课题。其中，Bi、Sn、In、Pd和Pb基材料是选择性CO2转化为甲酸盐的有效催化剂候选材料，因为它们对关键的*OCHO中间体具有较好的吸附性能。然而，由于在安培级总电流密度(|jtotal|)下电解时的法拉第效率(FE<80%)较低，所报道的生产甲酸盐(|jformate|)的部分电流密度通常低于1 A cm−2。此外，由于催化位点不足，该反应所需的过电位仍然很高，无法同时稳定*OCHO的结构和抑制H2的生成。
基于此，复旦大学郑耿锋和商丘师范学院罗干等开发了一种具有高暴露(110)面和硫阴离子和钠离子同时改性的金属铋纳米片(Bi(110)-S-Na)，用于高选择性电催化CO2转化为甲酸盐。电化学CO2RR测试结果显示，Bi(110)-S-Na催化剂在−0.64 V时，总电流密度达到−1 A cm−2，甲酸盐的法拉第效率和部分电流密度分别为95.8%±2.8%和958±28 mA cm−2；当总电流密度上生到−3 A cm−2时(−1.36 V)，甲酸盐的法拉第效率和部分电流密度分别为83.5%±2.5%和2505±75 mA cm−2。此外，Bi(110)-S-Na还具有优异的稳定性，其在−1 A cm−2电流密度下连续电解4000 s，甲酸盐的法拉第效率从96%下降到80%；在−600 mA cm−2下连续电解30小时，甲酸盐的法拉第效率稳定保持在85%，并且反应催化剂形貌没有发生明显变化。实验结果和理论计算表明，Bi(110)面上*OCHO的形成能低于Bi(012)面，表明Bi(110)面对甲酸途径表现出比Bi(012)更高的活性。此外，硫阴离子和钠离子的共修饰改善了Bi-Bi金属键，增强了*OCHO的电子局域化，并促进了水的活化形成H*中间体，从而在抑制H2产生的同时提高了甲酸的选择性。总的来说，该项工作设计和制备具有高度暴露(110)面金属铋纳米片，并利用硫阴离子和钠阳离子共同改性，这提高了目标产物的部分电流密度以实现高速率CO2电合成甲酸盐。Ampere-level CO2-to-formate Electrosynthesis Using Highly Exposed Bismuth(110) Facets Modified with Sulfur-anchored Sodium Cations. Chem, 2023. DOI: 10.1016/j.chempr.2023.05.008
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