安徽师范大学最新Angew！全pH范围内铋基催化剂用于安培级电流密度电催化CO2还原

第一作者：姜孜南，任珊，曹汐

通讯作者：毛俊杰，杨健

单位：安徽师范大学

注：该文使用科学材料站CRRMEA1a 1cm²膜电极电解池（图4d）

随着化石燃料的过度使用，环境问题日益严峻，减少二氧化碳排放的紧迫性日益增加。而利用可再生能源进行电催化CO₂还原反应（CO₂RR），因其高效能转换、温和的反应条件和操作简便等特点，成为了一个备受瞩目的解决方案。在这一反应中，甲酸作为其中重要的产物之一，具有较高的经济价值。然而，在水系电解液中，含碳中间体的存在以及竞争性析氢反应，特别是在安培级电流密度下，对电催化CO₂RR高效生成甲酸造成挑战。

近日，安徽师范大学毛俊杰教授和杨健教授在国际知名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表一篇题为“pH-Universal Electrocatalytic CO₂ Reduction with Ampere-level Current Density on Doping-engineered Bismuth Sulfide”的研究文章。该文章分享了一种S掺杂的金属Bi催化剂（BiS-1），实现全pH电解液中安培级电流密度下高效生产甲酸，并在膜电极中与阳极甘油氧化反应进行耦合应用。

通过水热法用氯化铋和硫脲合成了一种硫化铋催化剂，并命名为BiS-1。在CO₂RR重构后，BiS-1从硫化铋转化为单质铋，并有部分S保留。S的掺杂可以调控催化剂的电子结构，降低HCOO*中间体的生成能垒，显著增强了电催化CO₂还原生成甲酸的催化活性。

研究发现BiS-1催化剂在flow cell中展现出了超乎寻常的高活性。在碱性、中性和酸性环境下，其甲酸部分电流密度分别达到1.90、1.88和1.21 A cm^-2。特别值得一提的是，在酸性条件下，二氧化碳的单程转化率更是高达65.4%。在稳定性测试中，BiS-1催化剂同样表现出色，在碱性环境下以300 mA cm^-2的电流密度稳定运行了16小时，中性环境下运行了12小时，而在酸性环境下，则以200 mA cm^-2的电流密度稳定运行了30小时。

BiS-1催化剂在1 cm²膜电极中最大部分电流密度可以达到740 mA cm^-2，并且可以在200 mA cm^-2条件下稳定运行150 h。在5 cm²膜电极中电流从250 mA增加到3000 mA时， BiS-1表现出优异的催化性能，平均FE为91%，并在1 A的电流下进行了120 h的稳定性测试。

展示了一种将CO₂RR与甘油氧化反应（GOR）耦合的策略。通过引入GOR来替代动力学上较为缓慢的析氧反应，实现了膜电极中阴阳极同时生产甲酸，显著降低了整个过程的能量消耗和起始电位，显示出在电催化CO₂RR和GOR生产甲酸方面广阔的应用潜力。

pH-Universal Electrocatalytic CO₂ Reduction with Ampere-level Current Density on Doping-engineered Bismuth Sulfide Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202408412.