通过调控Bi-Sn双金属电子轨道作用高效催化CO2电还原产甲酸

CO2电化学还原转化为增值化学品,因具有显著的经济效益和减缓温室效应的环保效益,被认为是一种很有前景的CO2利用方法。其中,甲酸作为CO2电还原的液体产物之一,可用于氢气储存和甲酸燃料电池领域,因而具有很大的市场应用潜力。然而CO2在热力学上非常稳定,导致缓慢的反应动力学,较大的过电势以及较低的甲酸选择性。因此开发高性能产甲酸的CO2电还原催化剂在学术和工业化方面都具有特别重要的意义。

有鉴于此,加拿大滑铁卢大学陈忠伟教授团队设计了一种高选择性的CO2电还原产甲酸的催化剂,采用铋(Bi)纳米团簇修饰锡(Sn)纳米薄片,促使Bi-Sn双金属界面间电子轨道相互作用,形成大量的活性位点,该催化剂能够稳定运行100小时并保持96%的甲酸法拉第效率和极高的生产速率。XPS表征和DFT计算表明,Bi纳米团簇的加入使Sn原子的电子态密度偏离费米能级,中间体HCOO*中O原子的电子云容易向Sn原子轨道偏移,从而有效地促进电子云的流动,使得HCOO*中间体更倾向于吸附在Bi-Sn表面,促进了CO2高效转化为甲酸。通过分态密度图(PDOS)进一步分析,考察中间体HCOO *中O原子与Sn表面和Bi-Sn表面中的Sn原子间的相互作用,与Sn表面相比,Bi-Sn表面上O-2p和Sn-4d轨道之间产生了新的p-d重叠,显示出Bi的加入增强了O原子与Sn原子间相互作用。该研究为高选择性CO2电还原催化剂开发和表面设计提供了亚原子尺度的开创性思路和通用方法。

相关论文“Orbital Interactions in Bi-Sn Bimetallic Electrocatalysts for Highly Selective Electrochemical CO2 Reduction toward Formate Production”在线发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201802427)。

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