鉍基催化劑具有先進的CO
2電還原為甲酸的能力，但其固有的電子結構仍然是實現高催化性能的關鍵障礙。在此，提出了一種銅橋策略來增強鉍/碳復合材料中的電子調制效應。密度泛函理論計算證明，碳-銅-鉍異質結結構（Bi-Cu/HMCS）上的新型p–d–p雜化軌道可以穩定HCOO*中間體，降低從CO
2到甲酸的熱力學勢壘。在“銅橋”的快速電子供應作用下，甲酸鹽的法拉第效率在500mV的低過電位下達到100%（±2%），在寬電位范圍內保持在90%以上。使用固態電解質裝置，在7.5小時內以100 mA cm–2的穩定電流密度產生純0.6 M HCOOH，具有53.8%的令人印象深刻的能效。這項工作為優化金屬/碳復合電催化劑的電子結構提供了一種新的策略。
圖1. （a） Bi-Cu/HMCS電催化劑的制備示意圖。（b） XRD圖譜。Bi-Cu/HMCS的表征：（c，d）SEM圖像，（e）TEM圖像，（f，g）催化劑表面的高分辨率TEM圖像，以及（h）高角度環形暗場STEM圖像和相應的EDS元素圖譜。
圖2. （a） N
2吸附-解吸等溫線。（b） 拉曼光譜。（c） Bi4f的高分辨率XPS。（d） Cu K邊XANES光譜和（e）Bi-Cu/HMCS的傅立葉變換EXAFS光譜。（f） C K邊緣NEXAFS光譜。
圖3. （a） 甲酸鹽的部分電流密度。（b） 甲酸鹽在外加電位下的法拉第效率。（c） 在CO
2飽和的0.1M KHCO
3中阻抗的奈奎斯特圖；線路與所提出的電路模型擬合。（d） Bi-Cu/HMCS在-0.70 V與RHE下的耐久性測試和法拉第效率。
圖4. （a） 用于生產純甲酸溶液的固體電解質電池的示意圖。相應的電化學性能：（b）LSV曲線；（c） FE和甲酸在不同電池電壓下的電流密度；（d） 在100 mA cm
–2下連續生產純甲酸溶液的恒流穩定性測試。
圖5. （a） Bi-Cu/HMCS從OCP到-0.9 V與RHE的原位電化學拉曼光譜。（b） BiCu–C和Bi–C上HCOOH產生途徑的吉布斯自由能。態密度分析：（c）Bi的p帶，（d）Cu（e）的p帶和d帶，以及c的p帶。（f）三元c–Cu–Bi電催化劑體系中銅橋效應的示意圖。
相關研究成果由青島大學Qiang Li、中國石油大學Hui Ning和Mingbo Wu等人2023年發表在Nano Letters (鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c03173)上。原文：Copper-Bridge-Enhanced p-Band Center Modulation of Carbon–Bismuth Heterojunction for CO2 Electroreduction
轉自《石墨烯研究》公眾號
