大氣中二氧化碳含量的增加導致了不可忽視的環境問題。電催化CO₂還原反應(CO₂RR)是一項新興的實現碳中和的有效技術，能夠將CO₂可持續轉化為增值化學品，可以解決近年來受到廣泛關注的能源短缺問題。甲酸是CO₂RR的主要產品之一，是一種用途廣泛、易于儲存的有機化工原料，具有很高的經濟價值。然而，CO₂本身的結構穩定性和析氫反應(HER)的競爭性副反應是不可避免的，這極大地阻礙了CO₂RR對甲酸的轉化效率和選擇性，導致能量利用率低。因此，需要開發穩定性好、產物選擇性高、法拉第效率優異的高活性催化劑，用以實現更好的CO₂RR反應動力學和甲酸產率。

浙江理工大學化學與化工學院的陳鵬作研究員課題組開發了一種簡便的電化學共沉積策略，在碳布上合成了雙金屬Bi₉Cu₁合金納米片(Bi₉Cu₁/CC)，為電催化CO₂還原反應(CO₂RR)提供了一種新型的自支撐電極。Bi₉Cu₁/CC催化劑在-0.7 V到-1.2 V vs. RHE的寬電位范圍內對甲酸鹽具有超過90%的高法拉第效率(FE)。此外，以Bi₉Cu₁/CC為陰極驅動的可逆Zn-CO₂電池的最大功率密度為1.4 mW·cm^?2，且具有良好的工作穩定性。實驗表征和電化學結果證實，Cu合金化構建的雙金屬催化活性位點，增強了Bi₉Cu₁合金納米片的界面電子轉移以實現顯著提升的反應動力學過程。此外，原位ATR-IR結果證實雙金屬Bi-Cu活性位點傾向于遵循*OCHO中間體的電催化轉化途徑。DFT計算表明，Cu合金化有助于提高Bi費米表面附近的態密度，實現更高的本征導電性，且能優化*OCHO中間體在金屬位點上的吸附并異質析氫反應過程，最終使得Bi₉Cu₁合金納米片展現出優異的CO₂RR催化活性和循環穩定性。

圖1.(a) Bi₉Cu₁/CC催化劑的合成示意圖、(b) XRD圖，（c) Bi 4f 和（d）Cu 2p XPS圖。

圖2. Bi₉Cu₁/CC合金納米片的(a-c) SEM, (d-f) TEM, (g) HRTEM和(h)EDS元素分布圖。

圖3. Bi₉Cu₁/CC催化劑在H-Cell中的電化學性能測試結果。

圖4. Bi₉Cu₁/CC電催化劑在Flow-Cell中的電化學性能測試結果。

圖5. Bi₉Cu₁/CC催化劑的原位ATR-IR測試和密度泛函理論計算結果。

圖6. Bi₉Cu₁/CC電催化劑在Zn-CO₂電池中的應用及性能研究。

Wu W, Zhu J, Tong Y, et al. Electronic structural engineering of bimetallic Bi-Cu alloying nanosheet for highly-efficient CO₂ electroreduction and Zn-CO₂ batteries. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6269-7.