Stabilizing Highly Active Metastable Bi (101) Facet via Covalent Organic Frameworks to Break Activity–Stability Trade‐off in CO2‐to‐HCOOH Electrocatalysis

电催化剂 亚稳态 共价键 铋 催化作用 共价有机骨架 选择性 材料科学 化学 化学工程 化学物理 纳米技术 物理化学 电极 电化学 有机化学 工程类 冶金
作者
Ziqi Zhang,Zhe Zhang,Jinghan He,Rui Wang,Mingrui Yu,Ruoxuan Zhang,Xiaobo Chen,Zhan Shi,Shouhua Feng
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (42): e202515485-e202515485 被引量:8
标识
DOI:10.1002/anie.202515485
摘要

Abstract Electrochemical CO 2 reduction reaction (eCO 2 RR) offers a sustainable route to convert greenhouse gases into value‐added chemicals. Bismuth (Bi) has emerged as a promising electrocatalyst for CO 2 ‐to‐HCOOH conversion due to its low cost, nontoxicity, and favorable adsorption properties for the key *OCHO intermediate. However, its relatively contracted 5d and expanded 6p orbitals lead to inevitable thermodynamically driven structural reconstruction during eCO 2 RR, resulting in a persistent trade‐off between activity and stability. Here, by tuning the balance between the electrochemical and thermodynamic steady states of layered Bi species leveraging interlayer interactions and spatial confinement provided by a two‐dimensional covalent organic framework (COF), we achieve the selective exposure and stable maintenance of the highly active, metastable Bi (101) facet during eCO 2 RR for the first time. The resulting catalyst achieves top‐tier performance with 98.7 ± 0.1% HCOOH selectivity, exceptional stability over 230 h, and a flow cell HCOOH partial current density exceeding 350 mA cm −2 at −1.0 V versus RHE, ranking it among the most efficient and stable electrocatalysts reported to date.
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