Advanced Functional Materials:单斜相钒酸铋衍生的超薄铋纳米片高效电还原二氧化碳制甲酸盐

电化学CO2还原反应是减轻CO2排放和积累的最有吸引力的方法之一。最近,技术经济估算表明,在电化学CO2还原反应的多种产物中,作为燃料电池的化学燃料和理想的储氢材料甲酸盐更具成本效益。然而,CO2还原的多种途径和析氢反应(HER)的竞争导致CO2RR制备甲酸盐过程中反应动力学迟缓,严重阻碍了电化学CO2还原制备甲酸盐技术的发展和应用。近年来,各种金属催化剂,例如铅,镉,锡,铟,钴和铋已被证实具有较好的将CO2电还原成甲酸盐的催化性能。铋基催化剂,不仅绿色环保,而且对HCOO•中间体的亲和力弱以及HER活性差,具有较高的甲酸盐法拉第效率。但是,由于高电位下的CO途径和低电位下HER的竞争,目前报道的铋基催化剂仅在小于350 mV的窄电位窗口内,才能实现高于90%的甲酸盐法拉第效率,因此,对于实际应用而言,开发易于合成的在宽的电位范围内高效形成甲酸酯的铋基电催化剂具有重要意义。

西北工业大学张健教授团队及合作者针对上述问题,利用电化学方法将单斜相钒酸铋原位转变成厚度为1.21-1.55 nm的超薄铋纳米片。在1 M KHCO3水系电解质中电还原CO2时,超薄Bi纳米片表现出优异性能,在-1.0 V时表现出97.4%的甲酸法拉第效率以及-105.4 mAcm-2的电流密度。在750 mV的超宽电势范围内(-0.65至-1.4 V),超薄Bi纳米片的甲酸法拉第效率始终高于90%。实验和理论研究均证明,铋纳米片优异的电化学CO2还原反应活性和选择性归因于其形成HCOO•中间体的能垒比•COOH和•H低。该工作为超薄金属纳米片的合成提供了新思路,将促进用于CO2还原和其他电催化反应(如,HER,CO还原和氮还原)的高效电催化剂的探索。相关论文在线发表于Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202006704)。该项工作得到了中央高校基础研究基金,陕西省自然科学基金,国家自然科学基金等资助。