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?段昊泓/栗振華ACS Catalysis：設(shè)計(jì)制氫位點(diǎn)以促進(jìn)電催化CO2還原為甲酸鹽

電催化還原二氧化碳(CO₂ER)生產(chǎn)甲酸鹽是一種經(jīng)濟(jì)可行的CO₂提質(zhì)途徑。鉍（Bi）基材料已被認(rèn)為是該反應(yīng)的有前途的催化劑，但其活性低阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。在這里，清華大學(xué)段昊泓和北京化工大學(xué)栗振華等報(bào)道了一種負(fù)載在層狀堿式碳酸鉍(Bi₂O₂CO₃; BOC)納米片陣列(Ag/BOC)上的銀納米粒子(Ag NPs) 的協(xié)同催化劑，與純BOC相比，其反應(yīng)速率提高了2倍，并且具有高甲酸鹽的法拉第效率(FE)為 98%，并且FE在-0.86 至 -1.26 V vs RHE 的寬電位窗口內(nèi)保持在 >85%。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合理論結(jié)果表明，Ag加速 H₂O的解離以提供活性氫物質(zhì)，這些物質(zhì)遷移到相鄰的Bi位點(diǎn)，以促進(jìn)活性完成CO₂的還原。此外，我們通過(guò)將 CO₂ER（在陰極）和甘油的電氧化（在陽(yáng)極）配對(duì)，在自制的雙電極流通池的兩個(gè)極實(shí)現(xiàn)了甲酸鹽的聯(lián)產(chǎn)，在 2.2 V下實(shí)現(xiàn)了 130% 的表觀甲酸鹽FE，如與傳統(tǒng) CO₂ER結(jié)合水氧化反應(yīng)相比，甲酸鹽生產(chǎn)可節(jié)省 63%的電能。

進(jìn)行自旋極化 DFT 計(jì)算以研究 CO₂ER 在 Ag/Bi上的反應(yīng)機(jī)理。應(yīng)該注意的是，如實(shí)驗(yàn)所示，BOC將在CO₂ER中原位還原為Bi（圖 S16）；因此，Ag/Bi被構(gòu)建為催化劑模型。支持信息中提供了有關(guān)模型構(gòu)建和計(jì)算方法的詳細(xì)信息。圖 4 顯示了在 0 和 -0.86 V vs RHE條件下，在Ag/Bi上CO₂還原為甲酸的機(jī)理方案和 Gibbs自由能圖。第一步，H₂O 通過(guò)吸附吸附在 Ag(111) 表面上-0.016 eV 的能量。然后，吸附的 H₂O 通過(guò) Volmer 步驟還原為 H*，吉布斯自由能變化 (ΔG) 為 0.591 eV。之后，由于 H* 在 Ag/Bi 界面的吸附能更強(qiáng)，H* 從 Ag(111) 表面自發(fā)地溢出到 Bi(001) 表面，ΔG 值為 -0.032 eV。此外，如上所示，Ag(111) 被 H* 覆蓋；因此，由于 H* 的濃度梯度，H* 傾向于溢出到 Ag/Bi 界面。氫溢出的活化能僅為0.27 eV，可以通過(guò)H*在室溫下的動(dòng)能輕松克服。

吸附的 H*（表示為 H#，其中#是Bi位點(diǎn)）氫化成 CO₂，得到OCHO*，該過(guò)程在 Bi(001) 上放熱（ΔG = -0.218 eV）。生成的 OCHO* 與另一個(gè) H# 反應(yīng)生成 ΔG 值為 -0.374 eV 的 HCOOH#，其很容易從 Bi(001) 表面解吸，吸附能為 -0.021 eV。因此，在 Ag(111) 上產(chǎn)生 H* 是 CO₂ER 在 Ag/Bi 上生成甲酸的 RDS，這可以通過(guò)本工作中的應(yīng)用電位（-0.86 V vs RHE）來(lái)克服。還計(jì)算了 Bi (001)上CO₂還原為甲酸的Gibbs自由能圖譜（圖 S23），表明Volmer 步驟是ΔG值為 0.808 eV 的 RDS，大于Ag/BOC的值0.591eV（圖 S23）。因此，Bi(001)上Ag的存在將Volmer步驟的活性位點(diǎn)從Bi(001) 轉(zhuǎn)移到 Ag(111)，從而促進(jìn)了 H* 的生成并促進(jìn)了CO₂加氫。

Xinyue Guo, Si-Min Xu, Hua Zhou, Yue Ren, Ruixiang Ge, Ming Xu, Lirong Zheng, Xianggui Kong, Mingfei Shao, Zhenhua Li, and Haohong Duan. Engineering Hydrogen Generation Sites to Promote Electrocatalytic CO2 Reduction to Formate. ACS Catal. 2022

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.2c02548

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