第一作者：Miao Wang, Yating Gu

通訊作者：金鐘、馬晶

通訊單位：南京大學(xué)

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本研究提出了一種可擴展的原位生長策略，用于自組裝碳?xì)种蔚腂i₂O₃分形納米結(jié)構(gòu)（f-Bi₂O₃/CF），在流動池中實現(xiàn)了對CO₂至甲酸轉(zhuǎn)化的高效電催化性能。在-0.9 V（相對于可逆氫電極，RHE）下，法拉第效率（FE）達(dá)到95.1%，并且在工業(yè)相關(guān)的235.7 mA cm^-2電流密度下，甲酸的FE仍保持在87.7%。

通過密度泛函理論（DFT）計算，催化活性增強歸因于通過改變表面電荷分布來增加OCHO*中間體的吸附能。此外，該方法還成功制備了其他CF支撐的金屬氧化物催化劑，如CuO、In₂O₃和SnO₂，并通過簡短的技術(shù)經(jīng)濟分析（TEA）模型展示了在流動池中電催化氫化CO₂為甲酸的經(jīng)濟潛力。

圖文導(dǎo)讀

圖1：f-Bi₂O₃/CF催化劑的設(shè)計合成路線。

圖2：流動池系統(tǒng)的示意圖，f-Bi₂O₃/CF和塊狀Bi₂O₃催化劑在不同施加電位下的離子色譜圖，法拉第效率和部分電流密度的比較，以及f-Bi₂O₃/CF催化劑在20小時長期電催化CO₂還原反應(yīng)中的性能穩(wěn)定性。

圖3：f-Bi₂O₃/CF和塊狀Bi₂O₃樣品的接觸角，線性掃描伏安曲線，循環(huán)伏安圖，雙電層電容，以及電化學(xué)阻抗譜（EIS）的Nyquist圖，揭示了f-Bi₂O₃/CF催化劑的優(yōu)越表面潤濕性、電導(dǎo)性和反應(yīng)動力學(xué)。

圖4：CO₂還原為甲酸的反應(yīng)路徑。

圖5：通過相同合成路線制備的其他CF支撐金屬氧化物材料（如CuO、In₂O₃和SnO₂）的XRD圖譜、XPS譜圖、法拉第效率和部分電流密度，證明了合成方法的普適性。

圖6：技術(shù)經(jīng)濟分析（TEA）模型，評估了使用可再生電力驅(qū)動的CO₂加氫過程的盈利潛力。

總結(jié)展望

本研究成功開發(fā)了一種新型的f-Bi₂O₃/CF催化劑，通過原位自組裝技術(shù)實現(xiàn)了在流動池中對CO₂至甲酸的高效電催化轉(zhuǎn)化。

該催化劑在高電流密度下展現(xiàn)出優(yōu)異的法拉第效率和穩(wěn)定性，且通過DFT計算闡明了其催化活性增強的機制。此外，該合成策略的普適性得到了驗證，為設(shè)計和制備新型能源轉(zhuǎn)換和存儲材料提供了新的思路。研究還通過TEA模型展示了該技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的經(jīng)濟潛力，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)提供了一種可行的技術(shù)路徑。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：In situ self-assembled bismuth oxide fractals enabling highly selective electrosynthesis of formate in flow cells at high current densities

期刊：Nano Energy

DOI：10.1016/j.nanoen.2024.109659