二氧化碳电还原反应高效催化材料的研究

本研究设计并合成了无定型 Ag-Bi-S-O 修饰的 Bi 0 纳米颗粒，将其应用于二氧化碳电还原反应中 （图 1 ） 。 该研究工作首先通过溶剂热法制备了 AgBiS 2 纳米棒，并将其在空气中煅烧处理，得到了组成为 Ag 0.95 BiS 0.75 O 3.1 的双金属硫氧复合物纳米棒。在进一步电化学还原预处理后，该复合物被转化为无定型 Ag-Bi-S-O 修饰的 Bi 0 纳米颗粒。这种新型二氧化碳电还原催化剂在仅有 450 mV  的过电位下，实现了高达 94.3% 的甲酸法拉第效率和 12.52 m A/ cm 2 的甲酸部分电流密度。通过与 AgBiS 2 、 Bi 硫氧复合物及 Bi 2 S 3 参比样品进行对比，发现在电化学还原预处理过程中，金属硫化物中的 -2 价硫会转化为 H 2 S 并离开电极表面，只有金属硫氧复合物中被氧化为 +6 价的硫能保留在催化剂中。后续实验表明 ，这一部分硫能促进水的解离，而甲酸形成过程中所需的 H + 正是来自于 H 2 O 。因此，甲酸的生成被极大程度地促进。另一方面， Ag-Bi-S-O 修饰 Bi 0 纳米颗粒中的 Ag ，有利于电荷在电极中传递，提高了催化剂的电流密度。在过电位为 450 mV  时，更大的电流密度可以提高阴极附近的局域 pH ，而更大的局域 pH 能进一步提升硫促进水解离的效用，同时抑制氢析出反应的发生。因此，无定型 Ag-Bi-S-O 修饰的 Bi 0 纳米颗粒可以在极低的过电位下将二氧化碳高活性、高选择性地转化为甲酸。