第一作者：Miao Wang, Yating Gu

通訊作者：金鐘、馬晶

通訊單位：南京大學

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本研究提出了一種可擴展的原位生長策略，用于自組裝碳氈支撐的Bi₂O₃分形納米結構（f-Bi₂O₃/CF），在流動池中實現了對CO₂至甲酸轉化的高效電催化性能。在-0.9 V（相對于可逆氫電極，RHE）下，法拉第效率（FE）達到95.1%，并且在工業相關的235.7 mA cm^-2電流密度下，甲酸的FE仍保持在87.7%。

通過密度泛函理論（DFT）計算，催化活性增強歸因于通過改變表面電荷分布來增加OCHO*中間體的吸附能。此外，該方法還成功制備了其他CF支撐的金屬氧化物催化劑，如CuO、In₂O₃和SnO₂，并通過簡短的技術經濟分析（TEA）模型展示了在流動池中電催化氫化CO₂為甲酸的經濟潛力。

圖文導讀

圖1：f-Bi₂O₃/CF催化劑的設計合成路線。

圖2：流動池系統的示意圖，f-Bi₂O₃/CF和塊狀Bi₂O₃催化劑在不同施加電位下的離子色譜圖，法拉第效率和部分電流密度的比較，以及f-Bi₂O₃/CF催化劑在20小時長期電催化CO₂還原反應中的性能穩定性。

圖3：f-Bi₂O₃/CF和塊狀Bi₂O₃樣品的接觸角，線性掃描伏安曲線，循環伏安圖，雙電層電容，以及電化學阻抗譜（EIS）的Nyquist圖，揭示了f-Bi₂O₃/CF催化劑的優越表面潤濕性、電導性和反應動力學。

圖4：CO₂還原為甲酸的反應路徑。

圖5：通過相同合成路線制備的其他CF支撐金屬氧化物材料（如CuO、In₂O₃和SnO₂）的XRD圖譜、XPS譜圖、法拉第效率和部分電流密度，證明了合成方法的普適性。

圖6：技術經濟分析（TEA）模型，評估了使用可再生電力驅動的CO₂加氫過程的盈利潛力。

總結展望

本研究成功開發了一種新型的f-Bi₂O₃/CF催化劑，通過原位自組裝技術實現了在流動池中對CO₂至甲酸的高效電催化轉化。

該催化劑在高電流密度下展現出優異的法拉第效率和穩定性，且通過DFT計算闡明了其催化活性增強的機制。此外，該合成策略的普適性得到了驗證，為設計和制備新型能源轉換和存儲材料提供了新的思路。研究還通過TEA模型展示了該技術在工業應用中的經濟潛力，為實現碳中和目標提供了一種可行的技術路徑。

文獻信息

標題：In situ self-assembled bismuth oxide fractals enabling highly selective electrosynthesis of formate in flow cells at high current densities

期刊：Nano Energy

DOI：10.1016/j.nanoen.2024.109659