Bi-Sn双金属电催化剂中轨道相互作用对甲酸盐生产的高选择性电化学CO2还原

创新点：

双金属催化剂材料界面电子流动有效的促进了反应的进行

双金属界面的数量对反应的影响

摘要

开发了一种用于二氧化碳转化为甲酸盐的高选择性和耐用的电催化剂，该催化剂由铋（Bi）纳米颗粒修饰的锡（Sn）纳米片组成。由于在Sn-Bi界面通过有利的轨道相互作用形成活性位点，与可逆氢电极相比，Bi-Sn双金属催化剂在-1.1 V下以显著高的法拉第效率（96%）和生产率（0.74 mmol h−1 cm−2）将CO2转化为甲酸盐。此外，催化剂在前所未有的100小时操作中保持其初始效率。密度泛函理论表明，Bi纳米颗粒的加入使Sn的电子态远离费米能级，与纯Sn表面相比，HCOO*中间体能够有利地吸附在Bi-Sn界面上。这有效地促进了电子的流动，以促进CO2向甲酸盐的选择性和持久转化。

催化剂合成方法

通过简单且可扩展的水热反应技术将SnO2纳米片沉积在柔性碳基底上，然后将Bi纳米颗粒均匀地电沉积在SnO2纳米板表面。在水热反应过程中，使用高表面积碳织物作为生长基底，这使得SnO2纳米片能够在不添加任何聚合物粘合剂（如聚四氟乙烯或Nafion）的情况下垂直生长

实验内容

  图1a显示了沉积在柔性碳织物基底上的Bi-Sn双金属催化剂的结构示意图，SEM显示，观察到2D垂直竖立的Bi-SnO2纳米片成功地直接在多孔碳基底上完全生长这种结构对于增加表面积是非常有利的，因为未负载的2D纳米结构倾向于聚集并失去活性表面积。原位电还原Bi-SnO2纳米片后未观察到明显的形态变化，图1c所示。在SEM表征过程中，纳米片的表面可能已经再次氧化，但该图像仍然表明原位电还原没有导致显著的形态变化。XRD清楚地显示出与Bi和SnO2相匹配的峰（图1g）。但图1g中Bi-SnO2/CF和Bi-Sn/CF的XRD图谱清楚地显示出SnO2峰的消失，以及对应于（200）和（101）平面的30.6°和32.0°处的Sn峰的出现

通过XPS对Bi（x）SnO2/CF电极进行了进一步的组成和价态分析。原位电还原后，通过从Bi-SnO2/CF到Bi-Sn/CF的0.07eV结合能的负移，观察到从SnO2到Sn的转变。

电化学性能测试

通过改变Bi在SnO2纳米片上的电沉积时间，导致Bi-Sn双金属催化剂的组成不同，探讨了Bi沉积对CO2RR选择性的影响。电化学测试显示，Bi:Sn的比例为1:1，显示出最高的氟甲酸酯，如图3d所示，Bi的量增加或减少都会导致氟甲酸酯的减少。从结构上看，这些电极是不同的，如支持信息中的图S2和S4所示，性能最好的Bi-Sn电极在Sn纳米片表面显示出3nm Bi纳米颗粒的均匀分布，大大增加了活性Bi-Sn界面的暴露。相比之下，观察到Bi:Sn比率低于1的电极不存在Bi纳米颗粒而Bi:Sn比例大于1的电极由于团聚而导致形成相对较大的Bi团簇。

转自：“科研一席话”微信公众号

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