中空碳球负载铋电极CO₂电化学还原产甲酸性能

摘要

二氧化碳电化学还原（Carbon dioxide electrochemical reduction,CO₂RR）在缓解CO₂引起的环境问题和实现产品增值方面前景突出。甲酸是重要的储氢材料和化工中间体，并且CO₂RR产甲酸可以在温和的条件进行，因而受到了广泛的关注。针对CO₂RR活性低、产甲酸速率低的问题，本文采用模板法制备了中空纳米碳球负载氧化铋催化剂（Bi₂O₃@HCS）用于CO₂RR产甲酸。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱仪（XPS），对Bi₂O₃@HCS催化剂的表面形貌和结构组成进行了分析；采用线性扫描伏安曲线（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）电化学测试方法比较了Bi₂O₃@HCS催化剂的电子转移能力。在“H”形电解槽中，研究了Bi₂O₃@HCS催化剂用于CO₂RR产甲酸性能，考察了Bi负载量、阴极电位、KHCO₃电解液浓度和溶液p H对产甲酸性能的影响。结果表明，尺寸均一的Bi₂O₃@HCS催化剂在Bi负载量为2.0 mmol/L时，Bi₂O₃@HCS-2催化剂具有最佳的电子转移能力；阴极电位为?1.1 V vs.RHE和电解液浓度为0.1 mol/L KHCO₃的条件下，Bi₂O₃@HCS-2催化剂反应2 h甲酸产率可达1 108.11μmol/L/h/cm²，其甲酸法拉第效率（F_E）可达50%以上，并且Bi₂O₃@HCS-2催化剂在CO₂RR产甲酸中表现出良好的电极局部p H适应性和稳定性。具有限域作用的中空纳米碳球有效限制了活性组分Bi⁰与Bi₂O₃的团聚，丰富的Bi₂O₃提高了CO₂RR产甲酸的反应动力学，并且Bi⁰与Bi₂O₃之间存在的金属价态转变进一步提高了催化剂的电子转移能力，从而实现了高的CO₂RR产甲酸速率。

关键词

二氧化碳 / 电化学还原 / 甲酸 / 铋基催化剂