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在铋（Bi）基催化剂上，由CO2直接转化为甲酸盐为利用可再生电力生产重要化学品提供了有潜力的路线。然而，受电化学条件下催化剂结构和状态不稳定的限制，电还原CO2为甲酸盐仍然面临活性和稳定性之间的权衡，尤其是在高电流密度下。
在文中，作者报道了一种金属-碳界面调制策略，合成了具有稳定的空间结构、独特亲CO2和疏水界面的交联和缺陷碳修饰的Bi纳米粒子（Bi-DC）催化剂。在近中性电解液（1 M KHCO3）中，Bi-DC表现出卓越的电化学还原CO2为甲酸盐的能力，其性能可与强碱性体系相媲美。
在0.4 A的膜电极组装反应器中实现了120 h的稳定电解，甚至在5 A的工业级高电流下也能稳定运行。碳物种促进了活性组分Bi的重构和分散，同时空间限域效应有助于甲酸盐的形成，并实现了长期稳定的电解。
图文导读
图1：常规铋催化剂的活性物质降解和CO2RR动力学示意图，以及Bi-DC催化剂的结构稳定化示意图
图2：SEM、TEM、HR-TEM展示Bi-DC的形态，以及Bi-DC中C和Bi元素的TEM元素分布
图3：Bi-DC、Bi2O3 NS和商业Bi的测量
图4：Bi-DC、Bi2O3 NS和商业Bi在不同电压下的性能
图5：流动池中Bi-DC的性能
图6：双电极MEA电解槽的性能
总结展望
本研究报道了一种具有独特的亲CO2和疏水界面的Bi-DC催化剂，其通过特殊的sp2/sp3杂化碳提供了碳导向的空间限域效应和卓越的分子筛选能力，实现了高活性和稳定的电化学还原CO2为甲酸盐。Bi-DC催化剂在近中性电解液（1 M KHCO3）的流动池中达到了-378 mA cm−2的jformate，并在MEA中以0.4 A下连续稳定运行120 h，表现出优异的耐久性。
此外，还在25 cm2活性面积的电解池中实现了5 A的电流下的稳定运行，验证了Bi-DC催化剂电化学还原CO2为甲酸盐的大规模应用潜力。本研究为金属-碳催化剂实现超越活性和稳定性平衡的卓越电催化性能提供了可行途径。
文献信息
标题：Beyond Leverage in Activity and Stability toward CO2 Electroreduction to Formate over a Bismuth Catalyst
期刊：ACS Catalysis DOI：10.1021/acscatal.4c01519