【DFT+实验】陈鹏作团队:双金属Bi-Cu合金纳米片的电子结构调控工程用于高效电催化CO₂还原和Zn-CO₂电池
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背景介绍
大气中二氧化碳含量的增加导致了不可忽视的环境问题。电催化CO 2 还原反应(CO 2 RR)是一项新兴的实现碳中和的有效技术，能够将CO 2 可持续转化为增值化学品，可以解决近年来受到广泛关注的能源短缺问题。甲酸是CO 2 RR的主要产品之一，是一种用途广泛、易于储存的有机化工原料，具有很高的经济价值。然而，CO 2 本身的结构稳定性和析氢反应(HER)的竞争性副反应是不可避免的，这极大地阻碍了CO 2 RR对甲酸的转化效率和选择性，导致能量利用率低。因此，需要开发稳定性好、产物选择性高、法拉第效率优异的高活性催化剂，用以实现更好的CO 2 RR反应动力学和甲酸产率。
成果简介
浙江理工大学化学与化工学院的陈鹏作研究员课题组 开发了一种简便的电化学共沉积策略，在碳布上合成了双金属Bi 9 Cu 1 合金纳米片(Bi 9 Cu 1 /CC)，为电催化CO 2 还原反应(CO 2 RR)提供了一种新型的自支撑电极。Bi 9 Cu 1 /CC催化剂在-0.7 V到-1.2 V vs. RHE的宽电位范围内对甲酸盐具有超过90%的高法拉第效率(FE)。此外，以Bi 9 Cu 1 /CC为阴极驱动的可逆Zn-CO 2 电池的最大功率密度为1.4 mW·cm −2 ，且具有良好的工作稳定性。实验表征和电化学结果证实，Cu合金化构建的双金属催化活性位点，增强了Bi 9 Cu 1 合金纳米片的界面电子转移以实现显著提升的反应动力学过程。此外，原位ATR-IR结果证实双金属Bi-Cu活性位点倾向于遵循*OCHO中间体的电催化转化途径。DFT计算表明，Cu合金化有助于提高Bi费米表面附近的态密度，实现更高的本征导电性，且能优化*OCHO中间体在金属位点上的吸附并异质析氢反应过程，最终使得Bi 9 Cu 1 合金纳米片展现出优异的CO 2 RR催化活性和循环稳定性。
图文导读
图1.(a) Bi 9 Cu 1 /CC催化剂的合成示意图、(b) XRD图，（c) Bi 4f 和（d）Cu 2p XPS图。
图2. Bi 9 Cu 1 /CC合金纳米片的(a-c) SEM, (d-f) TEM, (g) HRTEM和(h)EDS元素分布图。
图3. Bi 9 Cu 1 /CC催化剂在H-Cell中的电化学性能测试结果。
图4. Bi 9 Cu 1 /CC电催化剂在Flow-Cell中的电化学性能测试结果。
图5. Bi 9 Cu 1 /CC催化剂的原位ATR-IR测试和密度泛函理论计算结果。
图6. Bi 9 Cu 1 /CC电催化剂在Zn-CO 2 电池中的应用及性能研究。
文章信息
Wu W, Zhu J, Tong Y, et al. Electronic structural engineering of bimetallic Bi-Cu alloying nanosheet for highly-efficient CO 2 electroreduction and Zn-CO 2 batteries. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6269-7.
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