提高CO2在低过电位下电解以在容易合成的

主要介绍

文献题目：EnhancingCO2electrolysistoformateonfacilelysynthesizedBicatalystsatlowoverpotential

通讯作者：JinliQiao

DOI:10./j.apcatb..06.

文献期刊：AppliedCatalysisB:Environmental

文献提出的科学问题

在本文设计了一种微结构Bi催化剂的良好性能，它可以在室温和常压下直接将二氧化碳转化为燃料。该Bi催化剂采用简单易于放大的水化学还原策略。Bi45催化剂在CO2转化为甲酸盐的过程中表现出了优异的催化活性，法拉第效率可高达90%。Bi45/GDE电极的过电位仅为mV，在连续电解20小时后，没有任何明显的降解。由于富集更多的（）晶面，Bi45催化剂可以提供更多的活性位点。

研究方案：

micro-Bix催化剂是通过改进的化学还原路线在水溶液中合成的。

将2.5mmolBi(NO3)35H2O缓慢加入含有10mL去离子水和HNO3的三颈烧瓶中。在室温下剧烈搅拌2h后，将混合物加热至°C，然后将30mL8.5molL-1N2H4H2O加入烧瓶中，并在℃下反应30-60min。离心收集所得沉淀，并用无水乙醇和去离子水反复洗涤数次以除去杂质。最后，在真空烘箱中在75°C下干燥6h后，得到micro-Bix（x:不同反应时间）催化剂。

铋催化剂表征：

图a：形成用于CO2电化学还原的micro-Bix图示。

图b：随着反应时间延长至45分钟，管状形态逐渐坍塌并聚集在一起。

图c：高倍SEM显微照片表明，无论还原时间如何，三个Bix样品均由平均直径为-nm的不规则微观结构Bi片组装而成（S2b，d)

图d：TEM分析进一步表明Bi45由不规则的薄片组成聚集在一起。图e：晶格条纹特征间距为0.和0.nm，与Bi的（）和（）晶面匹配，与图1f中的衍射峰重合。

Bi催化剂的电化学表面积：

在N2饱和的0.5MKHCO3电解质中以不同的扫描速率在从-0.6V到-0.8V相对于SCE的双层电位区域中进行循环伏安法。Bi45的电容为1.21mFcm-2，Bi30（0.mFcm-2）和Bi60(0.mFcm-2)都小于Bi45。表明Bi45可以提供比其他三种催化剂更大的活性表面积。

CO2的电催化还原性能：

图a：在N2或CO2饱和的0.5MKHCO3电解质中进行循环伏安实验，扫描速率为50mVs-1，电位范围为-0.6至-1.7Vvs.SCE。对于所有Bi催化剂，在N2条件下，电流密度开始增加约-1.60Vvs.SCE，这是由析氢反应引起的。与N2中的电流响应相比，在CO2溶液中观察到更大的电流响应溶液，这是因为Bi催化剂对CO2还原的电催化活性。

图b：线性扫描伏安法(LSV)在CO2饱和的0.5MKHCO电解质中进行，Bi45/GDE表现出最正的起始电位（约-1.26Vvs.SCE，电流密度为0.1mAcm-2），Bi45催化剂的Tafel斜率为mV/dec，从?0.43V到?0.58V过电位范围内。这支持了初始电子向CO2转移形成CO2??中间式的机制

图c：在-1.45V下Bi45/GDE，有最高90%的FEHCOO-，然后随着电解电位的负移开始降低，Bi45表现出增强的CO2电化学还原甲酸盐性能，这与CV和LSV结果非常吻合，表明形态和结构对Bi催化剂在CO2还原中的性能有显着影响。

图d：在-1.45Vvs.SCE的电位下进行了45小时的长期稳定性测试。FEHCOO-在20小时后仍保持87%，产物率降低，证明了Bi45催化剂在水溶液中的CO2还原反应的优越稳定性。45小时后，FEHCOO-下降但仍然有72%，进一步证明Bi45催化剂具有优异的稳定性。

结果与讨论：

本文报道了一种在中等温度下合成微结构铋催化剂的水性化学还原方法，该方法简单易行且易于放大。在Bi45/GDE上-1.45V与SCE相比，最大FEHCOO-达到了90%，具有mV的低过电位，在20h的连续电解过程中表现稳定，FEHCOO-和电流密度的损失可以忽略不计。即使在连续电解45h后，FEHCOO-仍然提供72%，所获得的微结构Bi催化剂将是电催化CO2还原为甲酸盐的有效催化剂。