Regulating the Electronic Structure of Bismuth Nanosheets by Titanium Doping to Boost CO2 Electroreduction and Zn–CO2 Batteries

纳米片 材料科学 格式化 法拉第效率 化学工程 电化学 电催化剂 催化作用 阴极 无机化学 纳米技术 电极 冶金 物理化学 化学 有机化学 工程类
作者
Aihao Xu,Xiangyu Chen,Wei Dong,Bingxian Chu,Meihua Yu,Xucai Yin,Jing Xu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (38) 被引量:10
标识
DOI:10.1002/smll.202302253
摘要

The electrochemical carbon dioxide reduction reaction (E-CO2 RR) to formate is a promising strategy for mitigating greenhouse gas emissions and addressing the global energy crisis. Developing low-cost and environmentally friendly electrocatalysts with high selectivity and industrial current densities for formate production is an ideal but challenging goal in the field of electrocatalysis. Herein, novel titanium-doped bismuth nanosheets (TiBi NSs) with enhanced E-CO2 RR performance are synthesized through one-step electrochemical reduction of bismuth titanate (Bi4 Ti3 O12 ). We comprehensively evaluated TiBi NSs using in situ Raman spectra, finite element method, and density functional theory. The results indicate that the ultrathin nanosheet structure of TiBi NSs can accelerate mass transfer, while the electron-rich properties can accelerate the production of *CO2- and enhance the adsorption strength of *OCHO intermediate. The TiBi NSs deliver a high formate Faradaic efficiency (FEformate ) of 96.3% and a formate production rate of 4032 µmol h-1 cm-2 at -1.01 V versus RHE. An ultra-high current density of -338.3 mA cm-2 is achieved at -1.25 versus RHE, and simultaneously FEformate still reaches more than 90%. Furthermore, the rechargeable Zn-CO2 battery using TiBi NSs as a cathode catalyst achieves a maximum power density of 1.05 mW cm-2 and excellent charging/discharging stability of 27 h.
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