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Nano Res.│中科大曾杰教授课题组:电化学沉积高指向的Bi单晶用于CO₂二氧化碳电还原制甲酸

本篇文章版权为曾杰课题组所有,未经授权禁止转载。

背景介绍


工业革命以来,化石燃料的广泛应用极大地提升了社会生产力,也带来了大量的碳排放,导致能源危机和温室效应。CO2电化学还原的办法为促进CO2的应用和全球碳循环指明了一条新的道路。在多种还原产物中,甲酸是最引人注目的产物之一。甲酸作为工业原料,被广泛应用于制药、橡胶、农药、染料等工业。甲酸还被用作燃料电池中的液体燃料。考虑毛利润模型,甲酸是目前最有经济可行性的CO2还原产物之一。

得益于其高的地壳丰度,低毒性和对析氢反应的抑制作用,Bi基催化剂受到人们广泛关注,人们对探索高效的Bi基催化剂付出了巨大努力。长期以来的工作集中在制备不同形态的Bi,人们通常认为,提升Bi表面的电化学比表面积对于提升Bi的催化表现是有利的。然而,Bi是一种十分特殊的金属,在不同晶面上存在迥异的表面态,而不同表面的表面态又对催化性能有着深远影响。因此,Bi金属催化剂的暴露表面需要被特别注意。


成果简介


中国科学技术大学曾杰教授课题组通过电化学沉积的方法所制备的不同形态的高指向的Bi单晶:Bi MP和Bi NF。Bi MP是棱角分明,近八面体形状,粒径为数个微米的Bi单晶;而Bi NF是Bi纳米片。结构表征表明,Bi MP暴露Bi的{0 0 3}和{1 0 1}晶面族,而Bi NF暴露Bi的{1 0 4}和{1 1 0}晶面族。利用Bi的{1 0 1}晶面族进行CO2电催化实验,在国际上尚属首次。在CO2电催化还原的实验中,Bi MP在-0.6 ~ -1.1 V vs RHE的电势区间内保持了高于95%的甲酸法拉第效率FEHCOO-,而相同电势区间内Bi NF的FEHCOO-仅仅在70%左右。在−1.1 V vs RHE的电势下,Bi MP表现出271.7 mA·cm-2的有效电流密度jHCOO-,为Bi NF的1.56倍。根据动力学和反应机理的研究,{0 0 3}和{1 0 1}表面促进了CO2分子的活化、加速了电子转移过程并且抑制了析氢反应,因此显著提升了催化性能。


图文导读


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图1 (a) Bi MP和(b) Bi NF的SEM图像。(c), (e) Bi MP的HRTEM图像。(d), (f) Bi MP的SAED图像。(g), (i) Bi NF的HRTEM图像。(h), (j) Bi MP的SAED图像。


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图2 Bi MP和Bi NF的 (a) FEHCOO-,(b) jHCOO-,(c) ΦHCOO-。(d) Bi MP在-1.1 V vs RHE进行10小时稳定性测试的j和FEHCOO-


作者简介


曾杰,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心教授、博士生导师。1998年进入中国科学技术大学学习,2002年获应用化学学士学位,2008年获凝聚态物理博士学位,师从侯建国院士。2008年赴美,在美国圣路易斯华盛顿大学夏幼南教授研究团队工作。2012年,回到中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心任教授。回国以来,入选国家杰出青年科学基金、国家“万人计划”科技创新领军人才,担任国家重点研发计划首席科学家。荣获中国青年科技奖“特别奖”、中国化学会-赢创化学创新奖、侯德榜化工科学技术青年奖、中国新锐科技人物、安徽省自然科学奖一等奖、安徽青年五四奖章等奖项。研究领域为二氧化碳催化转化技术,旨在通过电催化和热催化选择性高效转化二氧化碳制备液体燃料和高附加值化工品。迄今为止,曾杰教授已在Nature Nanotechnol.、Nature Energy、Nature Commun.等高影响力学术期刊发表了186篇论文,总被引用15,000余次,H因子为67。申请中美专利共70项。出版书籍4部,其中以第一译者身份出版的《见微知著——纳米科学》一书荣获“全国优秀科普作品”等奖项。

研究方向:

随着对环境意识的增强和对有限资源认识的加深,为了减少对石油化工能源等不可再生资源的依赖,寻求并开发清洁、廉价、便捷、有效的能源供给和储存方式已经成为能源产业首当其冲的任务。这其中,设计和制备廉价且高效的催化剂不论是在能源领域的科学研究还是在产业化进程中都至关重要。本课题组旨在研究选择性高效转化碳基小分子(如CO、CO2和CH4)制备液体燃料和高附加值化工品。本课题组从材料和机理两个方面开展研究工作。

在原子尺度精准设计催化剂表界面活性位点,并调控其配位原子结构和电子结构。该方面工作涉及:构筑单原子、金属间化合物等具有特定原子和组分分布的催化剂;通过配位环境和表面应力调控强关联体系催化剂的能级劈裂、轨道杂化、自旋简并、自旋-轨道耦合等电子结构。

在原子分子尺度探索碳基小分子活化转化过程中的关键过程和调控机制。主要关注催化反应过程中的活性相转变、催化反应路径、表面重构、反应物和中间产物的吸附过程、产物的脱附过程、溢流、表面等离激元共振等。该方面工作涉及在原位反应条件下对催化剂表界面和反应中间体进行高时空分辨和高灵敏表征,以及催化反应的理论模拟和动力学研究。

联系方式:

中国科学技术大学

微尺度物质科学国家研究中心16-005室

电话:86-551-63603545

Email: zengj@ustc.edu.cn

Website:http://catalysis.ustc.edu.cn。


文章信息


C. Lin, Y. Liu, X. Kong, et al. Electrodeposited highly-oriented bismuth microparticles for efficient CO2 electroreduction into formate. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4345-z.

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