碳纳米棒限域的Bi2O3纳米颗粒高效CO2电化学还原制备甲酸

CO₂的高效转化技术能够降低大气中过高的CO₂浓度，并制备高附加值的化学产品和能源燃料，这对于缓解能源和环境问题而言有着非常重要的应用前景。甲酸作为CO₂还原中最重要的还原产物之一，反应路径简单，只涉及两电子的转移，从技术经济角度分析具有非常高的经济价值和成本竞争力。然而，目前CO₂还原制甲酸仍然面临着诸多挑战，包括迟缓的反应动力学、较低的甲酸选择性和电流密度等。因此，开发经济、稳定、高选择性的电催化材料是实现电化学CO₂还原制甲酸技术大规模应用的关键所在。

基于此，华中科技大学夏宝玉教授（点击查看介绍）课题组在强化Bi基催化剂Bi-O键晶体结构研究的基础上(ACS Catal., 2020, 10, 743-750)，设计制备一种新型的碳纳米棒限域的Bi₂O₃纳米颗粒催化剂，该催化剂可以高效地将CO₂电催化还原为甲酸。实验结果表明，Bi₂O₃@C中Bi₂O₃纳米颗粒和碳纳米棒的协同作用共同促进了CO₂的快速选择性还原，其中Bi₂O₃纳米颗粒有助于改善反应动力学和甲酸选择性，而碳纳米棒结构则有助于提高甲酸的催化活性和电流密度。在含有1.0 M KOH电解液的Flow cell中，该催化剂制备甲酸的起始电位可低至-0.28 V vs. RHE，而且甲酸的法拉第效率高达93％以上，部分电流密度可超过200 mA cm^-2，同时表现出优异的催化稳定性。该工作为高效甲酸生产提供了一种基于铋基MOF衍生催化剂的制备方法，并且有助于推动电催化CO₂转化技术的进一步发展。

此外，该研究团队致力于CO₂的资源化利用研究。相关工作包括开发高效铜基催化剂用于CO₂还原产生CO产物 (Appl. Catal. B Environ., 2019, 255, 117736; J. Catal., 2020, 381, 608)，并对其服役过程中的关键催化表界面演变进行研究 (Chem. Sci., 2019, 10, 7975; ACS Catal., 2020, 10, 4640)、设计开发高效转换器件 (Angew. Chem. Int. Ed., 2020. DOI:10.1002/anie.202000657) 等，有望推动CO₂资源化利用的进一步发展。

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Meta–Organic Framework‐Derived Carbon Nanorods Encapsulating Bismuth Oxides for Rapid and Selective CO₂ Electroreduction to Formate

Peilin Deng, Fan Yang, Zhitong Wang, Shenghua Chen, Yinzheng Zhou, Shahid Zaman, Bao Yu Xia*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202000657

导师介绍

夏宝玉

https://www.x-mol.com/university/faculty/65883

参考文献：

1. F Yang, P Deng, Y Han, et al, Copper-based Compounds for Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide, Journal of Electrochemistry, 2019, 45, 426-444

https://doi.org/10.13208/j.electrochem.180948    

2. Pan J, Sun Y, Deng P, et al. Hierarchical and ultrathin copper nanosheets synthesized via galvanic replacement for selective electrocatalytic carbon dioxide conversion to carbon monoxide, Applied Catalysis B: Environmental, 2019, 255, 117736.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.05.038  

3. Yang F, Chen A, Deng P L, et al. Highly efficient electroconversion of carbon dioxide into hydrocarbons by cathodized copper–organic frameworks, Chemical Science, 2019, 10, 7975-7981.

https://doi.org/10.1039/C9SC02605C  

4. Huang P, Chen J, Deng P, et al. Grain refinement of self-supported copper electrode by multiple-redox treatment for enhanced carbon dioxide electroreduction towards carbon monoxide generation, Journal of Catalysis, 2020, 381, 608-614.

https://doi.org/10.1016/j.jcat.2019.12.008  

5. Chen S, Su Y, Deng P, et al. Highly selective carbon dioxide electroreduction on structure-evolved copper perovskite oxide toward methane production, ACS Catalysis, 2020, 10, 8, 4640-4646.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.0c00847    

6. P Deng, H Wang, R Qi, J Zhu, et al. Bismuth oxides with enhanced bismuth-oxygen structure for efficient electrochemical reduction of carbon dioxide to formate, ACS Catalysis, 2020, 10, 743-750

https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04043