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?港中文/港理工JACS:尺寸效應不可忽視!助力高分散Bi納米粒子電催化還原CO2制甲酸

?港中文/港理工JACS:尺寸效應不可忽視!助力高分散Bi納米粒子電催化還原CO2制甲酸
為了實現(xiàn)碳循環(huán)的目標,迫切需要尋找有效的方法來降低大氣中CO2的濃度。電催化CO2還原反應(CO2RR)將CO2轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物和降低大氣中CO2濃度的一種很有前途的方法。在電催化CO2RR反應的產(chǎn)品中,甲酸在化學合成、燃料電池和儲氫載體方面具有很大的應用前景。鉍基材料被認為是將CO2轉(zhuǎn)化為甲酸的良好電催化劑。然而,如何通過確定鉍納米粒子結(jié)構-性質(zhì)的相關性以實現(xiàn)有效地生產(chǎn)甲酸仍然具有挑戰(zhàn)性。
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基于此,香港中文大學余濟美(Jimmy C. Yu)香港理工大學黃勃龍勞子桓(Tsz Woon Benedict Lo)等通過從Bi4Ti3O12中原位Bi偏析,成功制備出多孔TiO2均勻負載的Bi納米顆粒催化劑(Bi-TiO2),并且根據(jù)退火溫度調(diào)節(jié)Bi的偏析速率,可以改變Bi納米粒子的尺寸。
由于活性Bi中心的大量暴露,對CO2RR中間體具有適當?shù)奈侥芎虰i和TiO2之間存在有效的相互作用,在H型電池中,最佳的Bi-TiO2-700在?1.0 VRHE下顯示出最高的甲酸鹽法拉第效率,達到95.6%。并且,該催化劑在400 mV的寬電位窗口一直維持高的甲酸鹽法拉第效率(> 90%)。
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實驗結(jié)果和理論計算表明,Bi納米粒子的尺寸對催化劑的電活性和CO2RR性能有重要的調(diào)節(jié)作用,Bi-TiO2的電子結(jié)構演化經(jīng)歷了一個基于Bi納米顆粒大小的火山趨勢。
最優(yōu)的Bi-TiO2-700具有中等尺寸的Bi納米顆粒,并由于p帶和d帶中心的上移而表現(xiàn)出最高的電活性;同時Bi-TiO2中豐富的界面改善了電活性,優(yōu)化了CO2和*COOH的吸附,有效降低了CO2RR的能耗、抑制了H2和CO的形成,以及提高了CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH的選擇性。
Size Effects of Highly Dispersed Bismuth Nanoparticles on Electrocatalytic Reduction of Carbon Dioxide to Formic Acid. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c04727

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