章根強教授、夏靜研究員，Angew觀點: 利用快速重構誘導的缺陷铋用于CO2制甲酸

【文章資訊】

利用快速重構誘導的缺陷铋用于電催化CO2制甲酸

第一作者：王小文，張洋洋，汪少

通訊作者：章根強教授，夏靜研究員

機關：中國科學技術大學，中國科學院理化研究所

【研究背景】

電催化CO2還原技術（ECO2RR）具有反應條件溫和、易于組裝和運作的特點，同時還有助于減緩溫室效應、儲存由太陽能和風能提供的間歇性清潔電力，是現階段解決環境和能源問題的有效政策。根據最近的技術經濟分析，在衆多還原産物中，甲酸是最具經濟效益和商業價值的液體産品，并在儲氫、燃料電池、紡織、藥物合成等工業領域也有着廣泛的應用。目前，铋基催化劑因其環境友好、儲量豐富、對關鍵中間體*OCHO吸附能力強等優點，在CO2電化學轉化為甲酸方面受到廣泛關注。

然而，大多數铋基催化劑在負電位下會發生電化學重構，這使得其活性位點和催化機理的識别變得更加複雜。此外，前驅體的配位環境對電化學重構過程、活性晶面暴露及催化劑最終形态等都有着顯著影響。是以，深入研究催化劑的電化學重構，了解實際催化活性位點的形成機制，對于精準設計高效穩定的電催化劑顯得尤為重要。

【文章簡介】

近日，來自中國科學技術大學的章根強教授與中國科學院理化研究所夏靜研究員合作，在國際知名期刊Angew上發表題為“Steering Geometric Reconstruction of Bismuth with Accelerated Dynamics for CO2 Electroreduction”的研究文章。該文章介紹了一種具有高催化性能的缺陷铋納米片催化劑（V-Bi NS），通過理論與實驗相結合的方式，探究了缺陷铋的形成原因及前驅體配位環境對電化學重構速率的影響，并深入解析了缺陷位點提升電催化性能的原理。

圖1. Bi19Cl3S27前驅體的結構分析及重構機理。

圖2. Bi19Cl3S27前驅體和V-Bi NS催化劑的形态和結構表征。

圖3. 前驅體重構速度實驗驗證及原位紅外檢測中間體。

圖4. V-Bi NS和I-Bi NS的電催化性能。

圖5. V-Bi、I-Bi模型的密度泛函理論（DFT）計算

【本文要點】

要點一：氯誘導富空位缺陷铋納米片形成的深入解讀。

本工作研究了Bi19Cl3S27和Bi2S3的電化學重構過程，發現Bi19Cl3S27具有更快的重構速度，使得金屬铋的成核和生長迅速爆發，形成富含空位缺陷的铋納米片；而Bi2S3經曆緩慢重構形成完整的铋晶體。理論分析表明，Bi19Cl3S2的Cl因高電負性吸引铋的電子，導緻産生電荷極化铋位。這促進了重構過程中電子的快速傳輸和Bi19Cl3S27結構的快速崩塌，推動了三價铋的金屬化程序。

要點二：高活性的原子空位缺陷有助于提高催化劑的ECO2RR性能。

原位紅外觀察顯示，相較于I-Bi NS，V-Bi NS對*OCHO和CO2的吸附效果更為顯著。DFT計算表明，铋空位處于富電子聚集态，降低了CO2到*CO2-自由基的活化能和甲酸生成的決速步能壘，有效提高了CO2生成甲酸的轉化效率。

要點三：優異的電催化性能。

V-Bi NS在-50到-300 mA cm-2的寬電流密度範圍内，甲酸FE均超過95%，催化性能遠高于I-Bi NS。其ECSA歸一化甲酸電流密度和産率也是I-Bi NS的2.2倍，且在-200 mA cm-2的電流密度下可穩定運作30小時。

【文章連結】

“Steering Geometric Reconstruction of Bismuth with Accelerated Dynamics for CO2 Electroreduction” Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202407665.

https://doi.org/10.1002/anie.202407665

【通訊作者簡介】

章根強：中國科學技術大學教授，博士生導師，合肥微尺度國家科學研究中心雙聘研究員，國家海外高層次人才，愛思唯爾中國高被引學者，中國材料學學會先進陶瓷分會委員，eScience，Infomat，SusMat以及Nano Research青年編委。課題組緻力于先進功能納米材料的優化合成及其在能源器件中的應用研究，主要從事的研究方向包括能源存儲器件電極材料的應用研究、高性能電催化劑的設計合成和新穎複合納米結構在能源存儲與轉換領域中的應用研究。迄今為止，在Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Inter. Ed等國際知名學術期刊發表SCI研究論文140餘篇，論文他引超過11000次，H因子55。