黄宏文教授、刘敏教授、陈旭丽副教授，AEM研究论文：原位结构重构产生高活性位点助力电催化CO2还原

第一作者：袁禹亮、王其忧、乔艳

通讯作者：黄宏文*，刘敏*、陈旭丽*

单位：湖南大学，中南大学

通过人工固碳技术对CO₂进行回收和利用有望在降低温室气体的同时获得高附加值的碳氢化合物。在诸多技术中，电催化CO₂还原可以在相对温和的条件下进行，所用电能可以直接来源于间歇性的绿色能源，比如太阳能、风能和潮汐能，该路线可以同时实现对间歇性能源的存储。

电催化CO₂技术依赖高活性，高选择性和高稳定性的催化剂。然而，CO₂电催化还原常常伴随着难以捕捉的结构演化，给催化反应构效关系研究和催化剂设计带来了挑战。本研究论文通过结合多种原位和非原位的表征手段展示了原位结构重构的细节，同时探究了结构重构对催化性能的影响。本论文提出的结构重构可以产生高活性位点助力催化反应，有助于加速高性能电催化剂的研究进展。

在这里，来自湖南大学的黄宏文教授、陈旭丽副教授与中南大学的刘敏教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为”In Situ Structural Reconstruction to Generate the Active Sites for CO₂ Electroreduction on Bismuth Ultrathin Nanosheets”的研究文章。该文章揭示了原位结构重构在获得高活性位点上的作用，为制备高性能催化材料提供了新的策略。

图1. 结构表征。表面平整的Bi(OH)₃纳米片在经过电催化还原后原位重构为富含缺陷的金属相Bi纳米片。

电催化CO₂还原技术有望应用于将间歇性绿色电能（太阳能、风能、潮汐能）存储于具有高附加值的碳氢化合物中，同时减少温室气体浓度。该技术目前依赖于高活性，高选择性和高稳定性催化剂的研发。然而，CO₂电催化还原通常伴随着难以表征的结构演化，大大增加了催化反应构效关系的研究难度，给高效催化剂的设计提出了挑战。因此，理解催化剂的原位重构机制对于高性能催化剂的设计具有重要意义。

要点二：电催化还原导致催化剂前驱体相变为富缺陷的Bi纳米片

研究人员通过HADDF-STEM、原位XRD和原位Raman的结构表征，发现催化剂前驱体可以在电催化还原条件下相变为金属相Bi纳米片。相变前后晶体结构上的差异，导致了大量缺陷的形成。由于缺陷处分布了大量的不饱和位点，可以作为CO₂电催化反应的高活性区域。

富缺陷Bi纳米片在电解液为0.1 M KHCO₃的H池中表现出优异的电催化CO₂还原性能：-1.14 VRHE电位下电流密度为32.9 mA cm^-2、甲酸法拉第效率为95.3%，Tafel斜率为99.93 mV dec^-1，在-0.98 VRHE电位下转换频率（TOF）达到0.35 s^-1，优于相同条件下无缺陷Bi纳米片和商用Bi粉。在电解液为1 M KOH的流动池中，甲酸分电流密度可达325 mA cm^-2 (-1.4 VRHE)，法拉第效率在-0.5~1.5 VRHE的电位区间大于95%。

在电解液为1 M KOH的膜电极电解池中，富缺陷Bi纳米片在2.84 V的池压下实现200 mA cm^-2的商用级电流密度，并且可稳定运行超110小时。DFT计算和原位衰减全反射红外光谱分析显示，原位重构形成的缺陷有利于*OCHO中间体的吸附，从而降低CO₂向HCOOH的反应能垒。该工作揭示了原位结构重构在获得高活性位点上的作用，为制备高性能催化材料提供了新的策略。

要点四：前瞻

催化剂的原位重构使得传统的基于合成-结构表征-性能测试的催化剂研究方法不再适用。对构效关系的归纳进而指导催化剂的设计需要建立在对催化剂结构重构准确追踪的基础上。先进的原位表征技术，尤其是不干扰催化剂工作状态的谱学手段因而具有广阔的应用前景。

同时，基于第一性原理的理论模拟可以给出实验方法无法得到的信息，对揭示催化剂的结构稳定性和催化反应机制具有指导作用。了解催化剂的原位重构机制，不仅可以帮助构建正确的构效关系，而且可以作为设计高性能催化剂的新策略。

In Situ Structural Reconstruction to Generate the Active Sites for CO₂ Electroreduction on Bismuth Ultrathin Nanosheets

黄宏文教授简介：湖南大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，岳麓学者。湖湘青年英才、湖南省优青、湖南大学教师新人奖获得者。目前主要从事高效能源金属电催化剂的研究。

至今已发表SCI学术论文72篇，其中包括在J. Am. Chem. Soc.（3篇），Angew. Chem. Int. Ed.（2篇），Nano Lett.（4篇），Adv. Mater.（1篇），Energy & Environ. Sci.（1篇），Adv. Energy Mater.（3篇），Adv. Funct. Mater.（3篇），ACS Nano（1篇）等学术期刊发表一作/通讯论文48篇（IF>10论文30篇）；

已授权国家发明专利8项；主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金联合基金、湖湘青年英才、湖南省优青等研究项目10项；担任纳米领域重要期刊Nano Research，Chinese Chemical Letters的青年编委；担任国家自然科学基金评审专家以及Nature、Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater，Angew. Chem. Int. Ed.等顶级期刊的审稿人。

刘敏教授简介：入选国家引进海外杰出人才，国家重点研发计划国际合作项目首席科学家，湖南省杰出青年，湖南省“青年百人计划”，湖南省科技创新平台与人才计划，长沙市国家级领军人才，粉末冶金国家重点实验室、超微结构与超快过程湖南省重点实验室、化学电源湖南省重点实验室成员。湖南师范大学理学学士、硕士，中科院电工所工学博士。

2010-2015年日本东京大学特任研究员、主任研究员，2015-2017年加拿大多伦多大学博士后，于2017年8月加入中南大学。近年来通过开发金属纳米针尖，聚集电荷，产生局域强电场，在能源转化、催化材料及器件领域取得了多项创新成果，在Nature，Science，Nature Photonics，Nature Chemistry，Nature Communications，Science Advances，Journal of the American Chemical Society，Advanced Materilals，Angewandte Chemie International Edition，Nano Letters，ACS Nano等国际权威学术期刊上发表论文110余篇，

论文他引>6600次，H因子37，相关研究成果多次被Science Daily，Science News，Phys.org，福布斯等新闻媒体报道。担任10余个国际主要学术期刊审稿人。申请中国、加拿大日本发明专利20余项，其中13项已经授权。博士毕业论文被评为2011年中科院优秀博士论文。2020年获国际权威杂志J. Mater. Chem. A.期刊Emerging Investigators。

陈旭丽副教授简介：2014年获复旦大学博士学位，师从彭慧胜教授，毕业后到美国Case Western Reserve University的Liming Dai教授课题组做博后，2016年入选湖南大学岳麓学者，在材料科学与工程学院任职副教授。研究方向为先进纳米材料的合成及其在电催化和柔性微纳能源器件中的应用。

袁禹亮，2018年毕业于浙江大学材料科学与工程学院，获材料物理与化学专业博士学位；2019年进入湖南大学材料科学与工程博士后流动站，期间赴美国威斯康辛大学麦迪逊分校访问一年。主要从事电化学储能和电化学催化领域的研究。目前以第一作者身份在Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters等国际期刊发表论文10余篇，授权专利6项。

课题组主页：http://huang-research-group.com/

一、应聘条件

1）具有材料、物理、化学专业的博士学位；

2）具有独立的科研能力以及很好的英文写作能力；

3）性格开朗，善于沟通，事业心强，身体健康，年龄35周岁以下。

4）具有严谨的科研态度和良好的团队协作精神，工作勤奋踏实。

二、聘期待遇

1）全职博士后薪资待遇由基础待遇和课题组补贴构成，分为以下两类：

特别资助类：30万元/年（税前工资）+上沙市人才补贴9-16万+基金/科研奖励。要求入选“博士后创新人才支持计划”或“博士后国际交流计划”(引进项目)，入选者资助期内享受上述待遇。

重点资助类：20万元/年（税前工资）+湖南省人才补贴9-16万+基金/科研奖励。

要求至少符合以下条件之一：

1. 博士毕业于arwu世界大学学术排名前100的海外（境外）高校或国际知名科研机构、国内双一流高校或a-及以上学科；

2. 在海外（境外）知名高校取得博士学位的非华裔人员；

3. 博士期间以第一作者或通讯作者发表本学科领域高水平研究论文（高被引或IF>10、SCI一区期刊）2篇，或取得相当水平学术成果。

2）全职博士后在站期间计算工作年限从进站之日起计算，博士后期间经评审后可认定为副研究员。在站期间成果丰富，入选湖南大学“杰出博士后奖”(每年评选一次)者，可直接申请副教授岗位。

3）课题组协助申请博士后科学基金、国家自然科学基金及省市各级课题（湖南省博士后创新人才支持计划-40万元经费）。

4）全职博士后在站期间，学校提供博士后公寓或租房补贴，其子女享受我校教职工子女入托、入学待遇

5）博士后出站后，业绩优秀者可以续聘，或根据工作意愿推荐到其他单位。

三、应聘者请提供以下材料：

1）个人简历；

2）反映本人学术水平的2篇代表作。

黄老师待人真诚，对科研有激情，在科研一线亲自指导，对本实验的博士后个人发展极为支持（已出站2位博士后，其中1位直接拿到211高校江南大学的教授职位，另一位预计将入职某211高校副教授职位），有意者欢迎联系湖南大学材料学院黄宏文教授。

邮箱：huanghw@hnu.edu.cn。

投稿请联系contact@scimaterials.cn