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注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
目前，电催化CO2还原被认为是最具有应用前景的CO2转化技术之一。该工艺过程相对简单、无污染，而且所需的电能可以直接从太阳能、风能等可再生能源中转化获取，能够实现真正意义上的碳循环利用。尽管人们很早就开始了这一领域的研究，但是现有催化材料和反应体系仍然面临着反应过电位大、转化效率低、产物选择性不理想等一系列问题。如何通过设计和调控材料的组成、结构与表界面来提升反应效率和选择性是电催化CO2还原亟需解决的关键科学问题。
基于此，苏州大学功能纳米与软物质研究院的李彦光教授团队、南京师范大学李亚飞教授团队共同合作，在电催化CO2还原至甲酸方面取得新进展。在这项工作中，重点探究了碘氧化铋纳米片向金属单质铋纳米片原位拓扑转化的机制，阐明了拓扑转化过程中晶体结构的变化规律，并在电化学还原的条件下制备出仅有几个原子层厚度的超薄铋纳米片（BiNS）。该催化剂具有超薄的二维层状结构，超高的比表面积基和丰富的配位不饱和Bi活性位点，为有效实现电催化CO2还原反应奠定了良好的结构基础。研究结果表明：BiNS催化剂在较低的过电位下表现出优异的电催化CO2还原活性和理想的甲酸盐选择性。
图1.超薄铋纳米片催化剂（BiNS）用于高效电催化CO2还原至甲酸盐。
首先，作者将碘氧化铋纳米片模板在电化学条件下进行还原处理，合成出仅有几个原子层厚度的单晶铋纳米片催化剂。重要的是，在电化学还原的环境下，体系中的铋原子会进行重新排布与整合，实现了由四方相的碘氧化铋向六方相的金属铋过渡的拓扑转化过程，尽管这一过程中晶体结构发生了变化，但其原有的微观结构与形貌却未受到破坏（图2与图3）。BiNS催化剂超薄的二维层状结构，超高的比表面积基和丰富的配位不饱和Bi活性位点，为有效实现电催化CO2还原反应奠定了良好的结构基础。
图2.BiOI纳米片的结构表征。包括XRD、SEM、TEM、SAED以及AFM。
图3.BiOI电极的循环伏安曲线及拓扑还原后的Bi纳米片的结构表征。包括XRD、SEM、TEM以及SAED。
随后，作者针对性地比较了BiNS和商业铋两种催化剂的CO2还原电催化性能（图4）。电催化测试表明：在0.5MNaHCO3中，BiNS催化剂能够在较低的过电位下高效地电催化还原CO2生成甲酸盐，产物最高法拉第效率接近%，催化电流密度可以达到20mA/cm2以上。此外，BiNS催化剂能够维持长达10小时以上的电催化性能，其优异的电催化性能超过了目前报道的大多数还原CO2至甲酸的电催化材料。
图4.BiNS催化剂的CO2还原电化学测试及稳定性测试。
DFT结果进一步证实了BiNS材料暴露的（）晶面更有利于OCHO*中间体的吸附与稳定，从而加快了CO2活化转化生成甲酸盐的动力学过程，使其具有接近%的甲酸盐选择性（图5）。
图5.BiNS催化剂（）晶面上的CO2还原反应的DFT模拟。
基于BiNS催化剂在水溶液中表现出优异的CO2还原性能，作者将BiNS催化剂与Ir/C析氧催化剂进行有效集成，实现了CO2还原与水氧化的同步反应，并考察了BiNS催化剂在商业CO2电解还原过程中的实际可行性。该体系在两节AA碱性电池的驱动下能够实现CO2还原与水氧化的同步反应，表现出~95%的甲酸盐选择性和~47%的电能到化学能的转化效率（图6）。
图6.基于BiNS催化剂的CO2还原与水氧化的全反应体系测试。
这一成果近期发表在NatureCommunications上，文章的第一作者是苏州大学的韩娜博士和南京师范大学的王彧博士。利用原位拓扑转化机制成功地制备出超薄铋纳米片催化剂用于电催化还原CO2制备甲酸盐的反应，该成果极大地推动二维铋烯材料在电催化CO2还原领域的潜在应用。
该论文作者为：NaHan,YuWang,HuiYang,JunDeng,JinghuaWu,YafeiLi*,YanguangLi*
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