近日，中国科学院大连化学物理研究所能源催化转化全国重点实验室纳米与界面催化研究中心碳基资源电催化转化研究组(523组)高敦峰研究员团队与生物能源研究部生物能源化学品研究组(DNL0603组)周旭凯研究员等合作，在二氧化碳电催化还原研究方面取得新进展，提出一种金属相保护策略，实现了高活性高稳定性的酸性二氧化碳电催化还原制甲酸。
二氧化碳电催化还原反应通常在碱性或中性条件下进行，但伴随的碳酸化副反应会导致严重的碳损失。此外，在碱性和中性条件下生成的主要产物是甲酸根，需进一步酸化处理才能转化为甲酸。相比之下，酸性二氧化碳电催化还原可有效缓解碳酸化问题，并直接生成甲酸。然而，强酸性反应环境易引发催化剂腐蚀、金属浸出和结构降解等问题，使得催化剂的长期稳定性成为制约其实际应用的瓶颈。
在本工作中，合作团队提出了一种金属相保护策略，开发出具有优异酸性二氧化碳电催化还原活性和稳定性的铋-铜(Bi-Cu)双金属氧化物催化剂(Bi0.31Cu1)。该催化剂在200至650 mA cm−2的宽电流密度范围内，甲酸法拉第效率达到90%以上；在200 mA cm−2的电流密度下稳定运行500小时，甲酸法拉第效率维持在90%左右。催化剂结构表征和反应机理研究表明，Bi0.31Cu1催化剂中的三氧化二铋(Bi2O3)相与铋酸铜(CuBi2O4)相之间存在强相互作用，导致Bi2O3相产生压缩应变，增强了Bi−O键强度，从而有效抑制了催化剂重构过程中Bi的溶出，提升了Bi基催化剂的长期稳定性。该金属相保护策略的普适性在铋-镁(Bi-Mg)双金属氧化物催化剂体系中得到进一步验证。
相关研究成果以“Metal-Phase Protection Suppresses Bi Leaching for Durable Acidic CO2 Electroreduction to Formic Acid”为题，于近日发表在《德国应用化学》(Angewandte Chemie International Edition)上。该工作的第一作者是我所DNL0603组博士研究生谈子健。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项“能源电催化的动态解析与智能设计”、辽宁滨海实验室、辽宁省兴辽英才计划、大连市杰出青年科技人才支持计划、我所创新基金等项目的支持。
