在过去的几十年中，社会，经济和技术的进步导致了化石燃料的广泛使用，因此，大大增加了温室气体二氧化碳（CO₂）的排放量，而二氧化碳是全球气候变化的主要根源。由于化石燃料供应有限，需要开发替代能源。原则上，可以通过电化学还原CO₂（以下称CO₂RR）来生产合成燃料和其他有价值的平台化学品。利用可再生能源作为CO₂RR的输入，将使整个二氧化碳转化过程真正具有可持续性。众所周知，电催化剂不仅对加速本来缓慢的CO₂RR过程是必不可少的，而且也可以指导反应对目标产物的选择性。

有鉴于此，瑞士伯尔尼大学Peter Broekmann和Abhijit Dutta等人，通过动态氢气泡模板（DHBT）电沉积方法，然后在300°C下进行热退火12 h而制得的一种新型氧化铋纳米泡沫，表现出优异的电催化选择性。

本文要点

1）该催化剂在一个扩展的电位窗口(约1100 mV)内，法拉第效率(FEs)永远不会低于90%（在-0.6 V vs RHE时的最大FE = 100％）。这些有希望的电催化特性是由于在CO₂饱和水溶液中甲酸形成的两个不同反应途径的耦合而产生的。0.5 M KHCO₃电解质，其在低过电位作用于部分还原的Bi₂O₃泡沫上，在中、高过电位作用于相应的金属Bimet泡沫催化剂上。

2）operando Raman光谱首次为CO₂还原反应(CO2RR)之前和过程中低过电位下CO₂嵌入氧化型Bi₂O₃基质提供了实验证据。利用operando拉曼光谱监测了形成的碳酸盐/氧化物复合催化剂逐渐转变为其全金属状态的过程。观察到的结构和组成变化与甲酸盐生成法拉第效率和偏电流密度的变化有关，在−1.5 V vs RHE时，其达到最大值PCD_formate = −84.1 mA cm^–2。

3）利用所谓的同位扫描电子显微镜技术监测了CO₂RR过程中亚碳酸盐形成和氧化前驱体部分电还原在纳米长度尺度上发生的形态变化。而泡沫催化剂的大孔结构不受(氧化物/碳酸盐→金属)过渡和催化CO₂RR的影响。

参考文献：

Abhijit Dutta et al. Tandem (Bi₂O₃ → Bimet) Catalyst for Highly Efficient ec-CO₂ Conversion into Formate: Operando Raman Spectroscopic Evidence for a Reaction Pathway Change. ACS Catal., 2021.

DOI: 10.1021/acscatal.0c05317

https://doi.org/10.1021/acscatal.0c05317