Stabilizing sub-2 nm δ-Bi2O3 via strong lanthanide-oxide-support interaction for durable CO2 electroreduction to formate

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作者
Qianmin Wu,Cui Li,Yuxuan Wu,Qing Liang,Xuyu Lv,Yanhong Li,Chang Wang,Mengjie Wu,Lichun Kong,Ji-Qing Lu,Wei Zhang,Zhengquan Li,De‐Li Chen,Jing Zhou,Yang Fa
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-71855-5
摘要

Abstract Stabilizing metal oxides is a prerequisite for elucidating their intrinsic mechanistic roles and sustaining high electrocatalytic activity. Here, we synthesize a high-temperature-phase La 2 O 3 -socketed sub-2 nm δ-Bi 2 O 3 heterojunction (δ-Bi 2 O 3 /La 2 O 3 ) that suppresses Bi 3+ reduction to metallic Bi, achieving ≥95% formate Faradaic efficiency for ~200 hours in industrial-level electrolyzers. Electronic structure analyses reveal that strong electrostatic interactions between δ-Bi 2 O 3 and La 2 O 3 drive oxygen migration to the interface, contracting δ-Bi 2 O 3 domains and enhancing La–Bi d-p orbital hybridization. This structural relaxation stabilizes interfacial Bi–O–La linkages and electron-deficient Bi 2 O 3+x species under cathodic potentials, as confirmed by in situ X-ray absorption spectroscopy. Pourbaix diagrams and in situ infrared spectroscopy demonstrate that La 2 O 3 promotes water dissociation to form a hydroxylated δ-Bi 2 O 3 surface under working potentials, enhancing protonation propensity. Consequently, the energy barrier for the rate-determining step (*CO 2 → *HCOO) is lowered to +0.15 eV on δ-Bi 2 O 3 /La 2 O 3 , significantly lower than the +0.83 eV barrier on pristine δ-Bi 2 O 3 . This work establishes a sub-nanoscale oxide/oxide heterojunction strategy to stabilize high-valent metal sites, enabling sustainable electrochemical conversion.
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