Beyond Leverage in Activity and Stability toward CO2 Electroreduction to Formate over a Bismuth Catalyst

催化作用 格式化 电解 电解质 电化学 无机化学 化学 化学工程 甲醇 材料科学 电极 有机化学 物理化学 工程类
作者
Wenbin Li,Chang Yu,Xinyi Tan,Yongwen Ren,Yafang Zhang,Song Cui,Yi Yang,Jieshan Qiu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (10): 8050-8061 被引量:67
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c01519
摘要

The direct production of formate from CO2 over Bi-based catalysts offers a promising route for producing important chemicals using renewable electricity. Nevertheless, limited by the unstable structure and states of catalysts under electrochemical conditions, electroreduction of CO2 to formate is still facing a trade-off between activity and stability, especially at high current densities. Herein, we reported a metal–carbon interfacial modulation strategy to synthesize the cross-linked and defective carbon-modified Bi nanoparticle (Bi-DC) catalyst with a stable spatial structure and a unique CO2-philic and hydrophobic interface. As a result, the Bi-DC featured a remarkable ability for CO2 electroreduction to formate in a near neutral electrolyte (1 M KHCO3) and was even comparable to the CO2-to-formate activity in the strongly basic systems, along with a high partial current density and formation rate for formate of −378 mA cm–2 and 7 mmol cm–2 h–1, respectively. Also, it achieved a stable electrolysis for 120 h at 0.4 A in a membrane electrode assembly reactor and even operated stably at an industrial large current of 5 A. The carbon species promoted the reconstruction and dispersion of active component Bi, together with a spatial confinement effect that facilitated the formation of formate and achieved stable long-term electrolysis.
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