第一作者：Weijian Guo

通訊作者：張進濤

通訊單位：山東大學

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在二氧化碳（CO₂）電催化轉化過程中，由于還原條件苛刻，金屬電催化劑的電催化穩定性差且失活快。本文提出了一種熱驅動策略，通過簡單的水熱法和隨后的熱解過程，實現了鉍納米粒子在氮摻雜碳基中的可控分散（Bi@C700-4）。

這種結構不僅利用了氮摻雜碳基的限域效應降低了鉍納米粒子的表面能量，防止了熱處理過程中的自聚集現象，還通過鉍納米粒子與碳基之間的協同效應和限域效應，顯著提高了CO₂還原為甲酸的電催化活性和穩定性。

實驗觀察和理論計算表明，氮摻雜碳基中鉍納米粒子的結合促進了CO₂的活化和關鍵中間體(*OCHO)的形成，從而增強了電催化活性，甲酸的法拉第效率(FE)約為94.8%，并表現出長時間的穩定性。此外，通過在太陽能驅動系統中耦合陽極5-羥甲基糠醛氧化反應(HMFOR)，實現了81.2%的高2,5-呋喃二甲酸(FDCA)產率，展示了太陽能到燃料的高效轉換。

圖文導讀

圖1：不同熱解溫度和時間下Bi@C-T的演變示意圖。

圖2：不同催化劑在H型電池中的線性掃描伏安(LSV)曲線、甲酸的法拉第效率(FE_HCOOH)和部分電流密度(j_HCOOH)，以及在1 M KOH和1 M KHCO₃中的LSV曲線、1 M KOH中的FE_HCOOH和Bi@C-700-4在流動電池中的穩定性測試。

圖3：Bi@C-700-4電催化劑在CO₂還原反應(CO2RR)中的LSV曲線、多電位步進曲線和差分電化學質譜(DEMS)離子電流信號，原位衰減全反射紅外光譜(ATR-IR)譜圖，以及CO₂轉化為甲酸(HCOOH)和一氧化碳(CO)的吉布斯自由能圖和*OCHO中間體及Bi和Bi-NC模型中O的PDOS圖。

圖4：由太陽能電池驅動的CO₂還原裝置的示意圖，光電池和電催化電池的電流密度-電壓(I-V)曲線，HMF及其氧化產物在氧化反應過程中的濃度變化，以及太陽能驅動CO₂RR中甲酸、氫氣和一氧化碳的法拉第效率。

總結展望

本文通過熱驅動策略在氮摻雜的多孔碳殼中重新分散鉍納米粒子，有效抑制了納米粒子的聚集，提高了電催化活性和穩定性。Bi@C700-4催化劑在CO₂還原反應中實現了94.8%的甲酸法拉第效率和長時間穩定性。

此外，通過構建太陽能轉換系統，實現了太陽能到燃料的高效轉換，HMFOR陽極反應耦合CO₂RR實現了81.2%的高FDCA產率。這項工作不僅提供了一種制備高效穩定催化劑的新方法，而且為先進電催化劑的設計提供了新的視角。

文獻信息

標題：Thermal-driven Dispersion of Bismuth Nanoparticles among Carbon Matrix for Efficient Carbon Dioxide Reduction

期刊：Angewandte Chemie International Edition

DOI：10.1002/anie.202401333