Small ：InBi双金属位点用于CO2高效电化学还原为HCOOH

标题：InBi Bimetallic Sites for Efficient Electrochemical Reduction of CO₂ to HCOOH

通讯作者：安徽工程大学，蒯龙；安徽师范大学，钦青&耿保友

DOI: 10.1002/smll.202303172

文章简介：

甲酸作为用于二氧化碳电化学还原的最先进的化学燃料之一而受到广泛关注。然而，大多数催化剂都存在电流密度低和法拉第效率低的问题。为此，在二维纳米薄片Bi₂O₂CO₃基底上制备了负载InOx纳米点的In/Bi-750高效催化剂，由于双金属之间的协同相互作用和足够的活性位点暴露增加了对*CO₂的吸附。在H型电解池中，甲酸盐法拉第效率在-1.0 V（vs. RHE) 时达到97.17%，并且在48小时内没有明显衰减。在200 mA cm^-2的较高电流密度下，在流动池中还获得了90.83%的甲酸盐法拉第效率。原位傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和理论计算均表明BiIn双金属位点可以为*OCHO中间体提供优异的结合能，从而从根本上加速CO₂向HCOOH的转化。此外，组装的Zn-CO₂电池表现出6.97 mW cm^-2的最大功率和60小时的稳定性。

关键词：

铋基催化剂，电化学二氧化碳还原，甲酸盐、InBi双金属位点

图文简介：

图1.a) InOx/Bi₂O₂CO₃制备过程的流程图。b–d) InOx/Bi₂O₂CO₃-750的TEM和HRTEM图像。e) InOx/Bi₂O₂CO₃-750的STEM和元素映射图像。f, g) InOx/Bi₂O₂CO₃ -750的AFM图和高度分布曲线。

图2.a) 电解过程中原子迁移示意图。In/Bi-750在-1.0 V（vs. RHE）下电解1小时的b-d) HRTEM图像，e-h) STEM 图像，以及元素分布图像。

图3.a) 不同产物的 LSV 曲线。不同产物的b) FE_甲酸盐和c) J_甲酸盐。d) In/Bi-750在H 电解池中48小时的电催化稳定性。e) In/Bi-750在200 mA cm^-2下在流动池中电催化稳定13小时。f)流动池中的LSV曲线。g) In/Bi-750在不同电流密度下的V-T曲线。h)流动池中In/Bi-750的FE_甲酸盐。

图4.In/Bi-750在1200-2200 cm^-1的原位FT-IR光谱：a)在0到-1.4 V（vs. RHE）的电势下，和 b) 0-3600 s的测试时间。c) *OCHO中间体在Bi (012)、BiIn (111) 和In (101) 表面的吸附构型。d)在 Bi (012)、BiIn (111) 和 In (101) 上CO₂RR到HCOOH的计算自由能曲线。e)每个活性位点的 PDOS 图。

图5.In/Bi-750阴极上的可充电Zn–CO₂电池测试。a) Zn-CO₂电池构造图。b) 开路电压图。c)极化曲线和功率密度图。d) 不同电流密度下的静电放电曲线。e)在 1 mA cm^-2下放电-充电循环与时间的关系图。

结论：

综上所述，针对CO₂RR过程中催化剂氢气产率高、电流密度低、选择性差等问题，该研究成功制备了InOx纳米点负载的Bi₂O₂CO₃复合体系，并获得了很高的催化活性。通过原位重构高效双金属协同催化剂In/Bi-750。In/Bi-750在–1.0 V（vs. RHE）下表现出高达97.17%的甲酸盐FE，且48小时内没有明显衰减。在200 mA cm^-2的较高电流密度下也获得了90.83%的甲酸盐FE。原位FT-IR光谱和理论计算将InBi-750的优异性能归因于原位形成的Bi/In双金属位点，可以提供丰富的CO₂吸附生成*OCHO，降低反应能生成HCOOH。此外，基于In/Bi-750组装的Zn-CO₂电池具有1.08 V的开路电压、6.97 mW cm^-2的最大功率密度和优异的充电性能。该工作为电化学CO₂具有良好活性和选择性的催化剂的能量转换和器件开发提供了新思路。