科学材料站
文 章 信 息
全pH范围内用于电催化CO2还原的电解生长 Bi/BiOCl 纳米片
第一作者：范茹
通讯作者：陆天睿*，吕晶晶*，王舜*，王正军*
科学材料站
研 究 背 景
电催化二氧化碳还原反应（eCO2RR）转化为液体燃料和化学品是一种实现碳中和的极具前景的方法。在过去十年中，人们开发了各种催化剂来将二氧化碳转化为从 C1 到 C3 的各种气体和液体产物，例如，一氧化碳（CO）、甲酸（HCOOH）或甲酸盐、甲烷（CH4）、乙烯（C2H4）、乙醇（C2H5OH）、丙醇（C3H7OH）等。其中，甲酸（或甲酸盐）因其经济可行性和广泛的工业应用而特别具有吸引力，使其成为研究和工业应用的重点。而甲酸/甲酸盐作为氢存储的理想液体中间体，具有很高的能量密度。但是，eCO2RR 在一般单一电解质中的高过电位、低活性和不可控的目标产物阻碍了其实际应用。 因此，开发高效的电催化剂对于在全 pH 范围内实现高活性和高选择性的二氧化碳电还原生成甲酸/甲酸盐具有重要意义。
科学材料站
文 章 简 介
近日，温州大学王舜、吕晶晶，王正军课题组，在国际知名期刊Small上发表题为“Electrolytic growth of hybrid Bi/BiOCl nanosheets for pH-universal electrocatalytic CO2 reduction reaction”的研究文章。文章采用电解生长工艺设计了一种具有均匀分散的杂化金属铋和次氯酸铋纳米片（Bi/BiOCl NSs）的自支撑电极，得到的Bi/BiOCl NSs具有丰富的活性异质结位点，在全pH范围内可将CO2高效转化为甲酸和甲酸盐，最大法拉第效率均超过90%。
科学材料站
本 文 要 点
要点一：Bi/BiOCl NSs材料的表征
Bi/BiOCl NSs的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和高角背散射电子显微镜（HAADF-STEM）图像如图 1c、d 所示，证实了其纳米片状结构。从 HRTEM 图像（图 1c）中可以清晰地分辨出Bi和BiOCl在Bi/BiOCl NSs界面处的晶格条纹特征。0.32 纳米的间距对应于Bi的（100）平面，而 0.23 纳米和 0.24 纳米的间距分别对应于Bi的（104）平面和BiOCl的（003）平面。在Bi相附近观察到 0.27 纳米的晶格间距，对应于BiOCl的（110）平面。这些共存的晶格参数明确地证实了Bi/BiOCl NSs异质结的形成，如红色虚线所划分的那样。HAADF-STEM 图像以及相应的元素组合映射图像进一步验证了Bi、Cl和O元素的均匀分布（图 1d）。Bi/BiOCl NSs材料的负载量为0.5 mg cm−2时，使用非原位SEM跟踪阴极电位下电极表面的形态演变过程（图2）。通过X射线光电子能谱（XPS）进一步研究了Bi/BiOCl-NS和BiOCl-NP样品的元素组成和价态。Bi/BiOCl-NS的XPS光谱和XRD光谱进一步表明Bi/BiClO-NS异质结结构的形成（图3）。
要点二：全pH范围内性能测试
使用流动电解槽在20 mmol∙L-1 H2SO4（溶解于1 mol·L-1 KCl）、1 M KHCO3中组成的阴极电解液中测试了Bi/BiOCl NSs的eCO2RR的法拉第效率均可达到90%（图4）。
要点三： 全pH范围内稳定性的测试 和ATR-FTIR光谱测试
使用流动电解槽在20 mmol∙L-1 H2SO4（溶解于1 mol·L-1 KCl）、1 M KHCO3中组成的阴极电解液中测试了Bi/BiOCl NSs的eCO2RR的稳定性均可达到8 h，法拉第效率最高可保持在85%左右（图5），探究了负载量对稳定性的影响。
进一步进行了原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）测量，通过比较Bi/BiOCl-NS和BiOCl-NP催化剂上的信号强度和eCO2RR的中间类型来推断反应途径。根据原位电化学ATR-FTIR测量的结果，可以合理地得出结论，在Bi/BiOCl-NS中引入异质结可以激活CO2还原形成中间体*OCHO，然后促进HCOOH的形成（图6c）。
要点四：前瞻
本文提出了一种创新且低成本的两步浸涂原位电解生长工艺。通过将Bi/BiOCl NS电催化剂嵌入气体扩散层的微孔层中，无需添加粘合剂即可制备自支撑电极材料，这种无粘合剂的自支撑电极在广泛的电势和pH值范围内表现出优异的活性。基于这种Bi基催化剂的高性能和潜在应用价值，其在电化学二氧化碳还原领域的应用前景非常广阔，为相关催化体系的进一步研究和开发提供了有价值的参考。
图1. Bi/BiOCl 纳米片的表征。（a）和（b）为SEM图像。（c）HRTEM图像。（d）HAADF-STEM图像以及相应的 EDS 元素分布图像，其中 Bi（黄色）、Cl（绿色）和 O（红色）。
图2. Bi/BiOCl NSs电极在100 mA cm−2下，负载为0.5 mg cm−2，a) 0 s, b) 60 s, c) 300 s, d) 1800 s的非原位SEM图像。
图3. a) Bi/BiOCl NSs的XPS光谱，b) Bi 4f的高分辨率XPS光谱。c) Bi/BiOCl NSs的XRD谱图。d) Bi/BiOCl-NS和BiOCl-NP的充电电流密度差异与扫描速率的关系。
图4. a） Bi/BiOCl NSs和BiOCl-NPs的LSV曲线。b）20 mmol∙L-1 H2SO4（溶解于1 mol·L-1 KCl）中 Bi/BiOCl NSs 的 eCO2RR 产物分布和电压。c）20 mmol∙L-1 H2SO4（溶解于1 mol·L-1 KCl）中BiOCl-NPs 的 eCO2RR 产物分布和电压。d）1 M KOH、e）1 M KHCO3和f）1 M KCl中 Bi/BiOCl NSs 的 eCO2RR 产物分布和电压。
图5. 100 mA cm-2的电流密度下，a）在不同负载为1.0 mg cm-2，b）0.5 mg cm-2和c）0.2 mg cm-2 下Bi/BiOCl NSs稳定性测试中的FE和电位变化。d）负载0.2 mg cm-2的Bi/BiOCl NSs稳定性测试后的SEM图像和相应的EDS元素映射图像。
图6. 不同电位（V vs.RHE）下a）Bi/BiOCl NSs和b）BiOCl NPs中间吸附的原位ATR-FTIR光谱。c）eCO2RR在Bi/BiOCl异质结催化剂上的甲酸反应途径示意图。
科学材料站
文 章 链 接
Electrolytic Growth of Hybrid Bi/BiOCl Nanosheets for pH-Universal Electrocatalytic CO2 Reduction Reaction
https://doi.org/10.1002/smll.202510929
科学材料站
通 讯 作 者 简 介
王舜，男，博士，二级教授，博士生导师，现任温州大学副校长，国家引才引智示范基地主任，全国百千万人才工程国家级人选，国家有突出贡献中青年专家，英国皇家化学会会士。长期从事碳基电化学能源材料的设计合成与应用研究，在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文330余篇，H指数64。获授权国家发明专利100余项、美国专利1项。主持完成多项国家及省部级科研项目，曾获教育部自然科学奖二等奖、浙江省科学技术奖一等奖等。创办国际期刊《Carbon Energy》并担任主编，牵头组建新材料与产业技术研究院，引进多家科技企业，有力推动区域新能源产业发展。入选2024、2025年全球高被引科学家。
王正军，博士，洪堡学者（资深），2022年6月加入温州大学化学与材料工程学院，硕士生导师。依托温州大学碳能源课题组，主要研究方向为绿色有机合成和电催化小分子高值化转化。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中国博士后科学基金等科研项目。目前，以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等顶刊发表论文30余篇。
添加官方微信 进群交流
SCI二氧化碳互助群
SCI催化材料交流群
SCI钠离子电池交流群
SCI离子交换膜经验交流群
SCI燃料电池交流群
SCI超级电容器交流群
SCI水系锌电池交流群
SCI水电解互助群
SCI气体扩散层经验交流群
备注【姓名-机构-研究方向】
投稿请联系contact@scimaterials.cn
点分享
点赞支持
点在看