ACS Catal：单层Bi2WO6电催化CO2制备甲酸

纳米技术

2021-09-25

通过电催化方法将CO₂转化为更高价值的化学品和燃料是实现碳中和的重要前景方法。电催化CO₂还原具有多种优势，比如操作简单，条件温和，需要对催化剂、电解液、电化学反应的电极电势进行调控，才能够实现较好的目标产物产率和反应速率。通过电催化CO₂还原能够合成一系列丰富的化学产物，包括CO、HCOOH、CH₃OH、C₂H₅OH等。其中甲酸是重要的工业化学品，能够用于皮革鞣制、食品添加剂等，而且甲酸能够作为质子交换膜燃料电池的燃料。目前人们发现含有Bi、Sn、In、Pb等元素的金属态材料催化剂能够促进CO₂电化学还原为甲酸。

目前人们在发展高性能和能够进行大量制备的价格合理催化剂进行广泛探索，这需要对催化剂的界面原位变化情况进行深入理解，同时对催化反应过程进行比较精确的设计。Bi₂WO₆是一种无毒性的高丰度催化剂，其表现为Aurivillius晶相（层状结构铁电体），其中含有[BiO]⁺和[WO₄]^2-层，单晶Bi₂WO₆材料含有两层[BiO]⁺-[WO₄]^2--[BiO]⁺。

有鉴于此，南京师范大学李亚飞、南京大学丁梦宁等报道发展一种二维单层Bi₂WO₆材料，该材料暴露丰富的Bi元素，通过水热合成合成。在电催化CO₂转化反应中展示了优异的转化为甲酸催化活性，能够在丰富的电极电势区间（0.9-1.3 V）内实现较高的甲酸法拉第选择性（在1.0 V过电势的法拉第效率达到>98 %），在流动相电解池中能够达到250 mA/cm²电流密度和>97 %的法拉第效率。

本文要点：

（1）

作者通过DFT计算揭示了电催化反应过程中与光催化反应产物选择性产生区别的原因，说明半导体单层Bi₂WO₆是一种双功能催化剂能够选择性制备C1化学品。

（2）

通过原位Raman，电化学阻抗，电输运光谱，On-chip电化学等Operando表征技术对晶相变化情况进行研究，发现Bi₂WO₆的表面在电催化反应过程中产生“金属相中间态”相变，给出了Bi基材料能够产生优异CO₂电化学还原反应活性的原因。

参考文献

Shengtang Liu, Chun Wang, Jianghua Wu, Bailin Tian, Yamei Sun, Yang Lv, Zhangyan Mu, Yuxia Sun, Xiaoshan Li, Fangyuan Wang, Yiqi Wang, Lingyu Tang, Peng Wang, Yafei Li*, and Mengning Ding*, Efficient CO₂ Electroreduction with a Monolayer Bi2WO6 through a Metallic Intermediate Surface State, ACS Catal. 2021, 11, 12476–12484

DOI: 10.1021/acscatal.1c02495

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c02495