近期，海洋科学与工程学院邓培林副教授所在团队在化学能源领域Top期刊Journal of Energy Chemistry（IF=13.1）发表题为《Plasma induced grain boundaries to boost electrochemical reduction of CO2 to formate》的研究论文。海南大学2021级硕士研究生王冠、钟圣韬为论文共同第一作者，海洋科学与工程学院韩兴琪老师、李静副教授、邓培林副教授和田新龙教授为论文共同通讯作者。
通过可再生能源（如太阳能、风能和潮汐能）驱动的电化学CO2还原反应（eCO2RR）可以将CO2持续转化为高附加值化学品，为人工碳循环的构建提供了一种有力的策略。尽管eCO2RR在甲酸/甲酸盐生产方面取得了一定的突破，但是目前在实现连续高活性、高选择性和强稳定性地生产甲酸/甲酸盐方面仍面临重大挑战，因此制约了其进一步工业化应用。Bi基催化剂得益于对氧的强亲和力和对氢的弱亲和力，可以有效抑制析氢反应的发生，促进*OCOH关键中间体的形成与稳定，从而高效催化CO2生成甲酸/甲酸盐。此外，二维 (2D) Bi基催化剂因其具有更大的比表面积和更高比例的表面原子，可以为eCO2RR提供丰富的活性位点来提高催化活性。然而，许多研究已经证明，高催化活性来源于不饱和配位原子，它们不仅能够增加反应物的吸附能力，同时可以降低关键中间体的形成能垒。因此，探索一种有效的策略在二维纳米结构表面形成丰富具有不饱和配位环境的活性位点至关重要。。
由此，田新龙教授团队通过低温等离子体诱导策略成功在超薄二维Bi纳米片(Bi NS)上构建了富含不饱和Bi配位原子的Bi/BiOx晶界。测试表明该催化剂 (OP-Bi) 在−0.5至−1.1 V (vs. RHE) 的电势范围内表现出超过90%的甲酸盐法拉第效率 (FE)，并在流动池中保持了30小时以上的良好稳定催化性能。膜电极组件 (MEA) 装置中可以在100 mA cm−2的稳定电流密度下持续电解50小时以上。此外，OP-Bi作为双功能催化剂应用于可充电Zn-CO2电池，最大峰值能量密度为1.22 mW cm−2。机理实验表明，OP-Bi的高密度晶界提供了更多的暴露活性位点、更快的电子转移能力和更高的Bi原子本征活性。原位光谱和理论计算进一步阐明，晶界之间的不饱和Bi配位原子能够促进C–O键延长，从而有效激活CO2分子，并且降低关键中间体 (*OCOH) 的形成能垒，从而增强eCO2RR生成甲酸盐产物的催化性能。这项工作为CO2有效电还原为高附加值产品提供了一种先进的催化剂，同时深入揭示了反应机制，为晶界工程与电催化反应的结合和优化作出了重要见解。
本研究得到了国家自然科学基金 (22109035, 22202053, 52164028, 52274297, 22309037), 海南大学科研启动基金 (KYQD(ZR)-20008, 20083, 20084, 21125, 23035), 海南大学海洋科技协同创新基金 (XTCX2022HYC04, XTCX2022HYC05)的资金资助。
文章链接: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.04.026
