AM：压缩应变调控路易斯酸碱对，实现工业级电流高效电合成甲酸盐

第一作者：成怡

通讯作者：黄明*

单位：电子科技大学

化石燃料燃烧导致CO₂过度排放，加剧气候变化，电催化CO₂还原为甲酸/甲酸盐是实现碳循环利用的重要途径。当前，铋基催化剂虽然具有高选择性，却面临工业级电流密度下活性衰减快、稳定性不足的瓶颈。尽管晶格应变工程被广泛用于调节催化性能，但多数研究仍停留于表观性能与应变的相关性，缺乏对应变下活性位点局域电子结构及协同机制的深入揭示，制约了高效催化体系的设计。

近日，电子科技大学黄明教授团队在国际期刊《Advanced Materials》上发表题为“Designing Synergistic Lewis Acid-Base Pairs in Compressed Bismuth-Copper Oxide for Selective CO₂-to-Formate Electrosynthesis”的研究文章。该研究创新性地提出一种晶格压缩应变工程策略，通过在非化学计量比铋铜氧化物中精准引入应变，成功构建了高效的路易斯酸碱对协同活性位点，实现了在宽电流密度范围内高选择性、高稳定性电合成甲酸盐。

研究发现，在铋铜氧化物中引入压缩应变，可显著缩短金属-氧键长。这一结构变化同时调控了金属阳离子（Bi3+，Cu2+，路易斯酸）的电子构型和邻近氧空位（VO，路易斯碱）的电子态。理论计算与XPS/XAFS表征共同证实，应变诱导了Bi、Cu位点的电子密度富集与氧空位浓度增加，从而显著增强了路易斯酸碱对之间的电子协同与电荷转移能力。

增强的Bi-VO-Cu协同位点作为高效的集成活性中心，极大地促进了CO₂分子的吸附与活化。应变界面优化了关键中间体*HCOO的吸附能，稳定了该物种并显著降低了其形成的能垒。同时，该特异性位点有效抑制了析氢反应等竞争途径，从而将反应选择性导向甲酸盐。

优化后的催化剂在宽电流密度范围（-100至-700 mA cm-2）内，甲酸盐法拉第效率均高于95%，并在-576.8 mA cm-2的工业级电流密度下达到96.1%的高选择性。更突出的是，在-200 mA cm-2下连续运行120小时后，其活性衰减低于1.5%，远超传统铋基催化剂，解决了其长期存在的稳定性难题。

通过原位电化学拉曼光谱等手段，研究人员在反应过程中直接观测到了吸附的*HCOO中间体信号的增强，以及CO₂在路易斯酸碱对上协同吸附的特征光谱信号。这为“应变增强协同作用”促进甲酸盐生成的反应机理提供了直接的实验证据。

Designing Synergistic Lewis Acid-Base Pairs in Compressed Bismuth-Copper Oxide for Selective CO₂-to-Formate Electrosynthesis.

黄明教授简介：教授，博士生导师，国家高层次青年人才，四川省天府峨眉青年人才。研究方向为低维原子材料精准制备、表界面动态调控与原位表征、能源存储与转化等。目前在Nature, Science, Nature Nanotechnology (2), Nature Communications, Advanced Materials, Angewandte Chemie等国际权威期刊发表论文100余篇，其中15篇入选ESI高被引论文，论文总被引次数>1.2万次，H因子为60。担任Materials Reports: Energy副主编，Exploration 的学术编辑，SusMat、eScience、Chinese Chemical Letters等国际期刊青年编委。荣获2024年度2DM Emerging Young Scientist Award，2023年度《麻省理工科技评论》"35岁以下科技创新35人", 2022年度韩国100项最佳研究发明奖。

点分享

点赞支持

点在看