“铋”不可少的电催化还原CO2

光合作用是指绿色植物在光照条件下将二氧化碳(CO2)和水转化成富能的有机物并释放出氧气的过程。它不仅完成了物质转化(无机物到有机物)、能量转化(光能到化学能),同时也维系了生物圈的碳氧平衡。从绿色植物的光合作用得到启发,科学家们致力于开发人工光合作用体系,即用清洁的可再生能源作为能量供给,利用电化学还原CO2的方法,将CO2转化为更有价值的化学品和燃料,重新应用于生产生活当中。这样不仅能减少CO2的累积,而且能将它们“变废为宝”,实现“碳”能源的有效利用。目前而言,由于CO2分子本身难以活化和竞争的析氢反应(HER)的影响,使得CO2 还原面临着反应过电势大、产物选择性低等诸多挑战。为了加快反应速率并且提高单一产物的选择性,开发高效、廉价、稳定的CO2 还原电催化剂迫在眉睫。

近期,苏州大学功能纳米与软物质研究院的李彦光教授团队、南京师范大学李亚飞教授团队和美国阿贡国家实验室陆俊研究员团队共同合作设计了多孔铋纳米片,在水相电解液中表现出了较高的还原二氧化碳生成甲酸盐的催化性能。作者先用溶剂热的方法合成超薄的碳酸氧铋(Bi2O2CO3)前驱体, 再通过阴极还原的方法将碳酸氧铋转化成目标催化剂——二维多孔铋纳米片(mpBi)。电镜分析表明,获得的二维多孔铋纳米片是六方相的金属铋,由交联在一起的铋颗粒(5~10 nm)组成,整体的形貌仍然维持前驱体的片状结构。电化学测试表明,该催化剂在较宽的电压窗口下具有接近100%的甲酸盐选择性,超过了目前报道的还原CO2至甲酸盐的催化剂。此外,该催化剂还表现出了极高的稳定性。经过12小时恒电压测试,其催化性能没有衰减,且片状形貌得到了完美的保留。最后作者将多孔铋催化剂和商业铱/碳(Ir/C)催化剂进行配对,用商业GaInP/GaInAs/Ge太阳能电池作为能量供给,实现了CO2/H2O裂解的全反应。

总而言之,这项研究工作揭示了金属铋在电催化CO2还原反应中的应用前景,为太阳能转化成化学能奠定了研究基础。相关论文发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201801536)上。