电化学法将CO₂还原为有价值的燃料在CO₂固定和储能方面具有广阔的应用前景。然而，开发高活性、高选择性、宽电位窗口的电催化剂一直是一项具有挑战性的工作。

有鉴于此，中科院福建物构所朱起龙研究员，日本产业技术研究所（AIST）徐强教授首次报道了从超薄的铋基金属-有机层中通过原位电化学转化过程获得原子薄层铋(Bi-ene)。

文章要点

1）研究人员采用水热法制备了超薄Bi-MOLs。根据相应Bi-MOF的单晶结构，Bi-MOL具有二维层状网络，其中Bi₂O₂二聚体由4,5-咪唑二羧酸(H₂IDC)以水镁石相关的双层排列连接。由于其独特的双层排列和弱的π·π堆积作用，这种Bi-MOF倾向于以薄层的形式生长，即Bi-MOLs。PXRD、SEM、TEM和AFM的表征表明，成功地生长出平均厚度为1.4 nm的超薄Bi-MOL薄膜。有趣的是，这样的Bi-MOLs可以通过原位电化学转化过程容易地转化为少层Bi-ene。所得铋烯的PXRD图谱表明，其具有R3c空间群的菱面体结构类型。此外， XPS谱图证实了Bi-MOLs的完全转变。SEM和TEM图像表明，所获得的铋烯呈现出石墨烯样的超薄纳米片状形貌，在微尺度上具有褶皱和横向尺寸。AFM测得的铋烯厚度在1.28-1.45 nm之间，相当于大约3-4层。这是迄今为止报道的最薄的Bi纳米片之一。

2）所获得的铋烯具有大量暴露的活性中心，具有很高的本征活性，在−0.83V至−1.18V的极宽电位范围内，表现出近100%的FE，显著提高了CO₂RR性能，并且具有高达72.0 mA cm-2的局部电流密度和CO₂电化学还原为甲酸盐的持久稳定性。此外，在自行设计的流动池中，甚至可以提供超过300.0 mA cm-2的超高电流密度来生产甲酸盐。同时，还构建了基于铋烯的CO₂RR/析氧反应(OER)全电池，以扩大其应用范围。

3）研究人员用原位衰减全反射红外光谱(原位ATR-IR)进一步揭示了吸附的HCO₃^-基团和OCHO*中间体及其相互关系。结合密度泛函理论(DFT)分析，提出了一种基于HCO₃^-参与的CO₂RR途径的甲酸盐生成新机理，这将对CO₂RR过程有新的认识。

本研究结果为开发高效的2D金属及金属烯电催化剂开辟了新的途径，为研究CO2电还原机理提供了新的思路。

Changsheng Cao, et al, Metal–organic Layers Derived Atomically Thin Bismuthene for Efficient Carbon Dioxide Electroreduction to Liquid Fuel, Angew. Chem. Int. Ed.

DOI：10.1002/anie.202005577

https://doi.org/10.1002/anie.202005577