近日，武汉大学肖湘衡教授课题组在International Journal of Extreme Manufacturing上在线发表了题为“In-situ structural evolution of Bi2O3 nanoparticle catalysts for CO2 electroreduction”的研究论文。该工作中采用原位拉曼光谱技术，实时检测了三氧化二铋(Bi2O3)预催化剂在CO2电还原中的表面重构过程，并鉴明Bi/Bi2O3纳米片作为真实的反应活性相参与反应。重构过程导致了催化剂表面电荷重新分布，从而实现了高效的电化学CO2制甲酸过程。

在实现环境和能源可持续发展愿景的过程中，可再生能源的转化和利用变得尤为重要。然而，风能和太阳能的间歇性导致了高昂的电力存储成本。近年来CO2电催化还原（CO2ECR）技术的迅速发展，将温室气体CO2转化为增值产品以实现碳中和储能已受到广泛关注。随着对CO2ECR的不断深入研究，研究人员逐渐认识到，所制备的催化剂在还原过程中会经历动态的结构演化（受外加电位和电解质等其他因素综合影响），导致真实活性物种不明确，阻碍了CO2ECR技术进一步发展。在复杂的外部反应条件下，揭示催化剂表面真实的结构演化，对于建立合适的构效关系和设计合理的电催化CO2材料具有深远的意义。

图1:晶体结构表征及原位拉曼测试图谱

在本工作中，通过溶剂热法立方相Bi2O3纳米颗粒（NPs）用于CO2电催化还原。原位拉曼测试结合其他测试分析表明，在还原电位工况条件下，Bi2O3纳米颗粒的表面发生重构，动态转变为嵌入Bi纳米晶的Bi2O3纳米片，并证明 Bi/Bi2O3构型可以更有效地促进CO2ECR。在-1.01V vs. RHE下，甲酸盐的最大法拉第效率（FE）接近94.8%，并且在-0.91 V至-1.21 V的宽电位窗口中，甲酸盐的FE可以保持在90%以上。进一步密度泛函理论（DFT）结果证明，电化学重构过程导致电荷重新分布，特别是因为Bi2O3基底的存在提供了更多的电子传输到表层附近以加强键合，从而形成稳定且富含活性电子的Bi金属层。这不仅优化了CO2分子的活化行为，而且降低了HCOO*中间体的能垒，极大地促进甲酸盐的产生。

图2:  第一性原理DFT计算

原文链接：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac7a6e

（通讯员：王宏博）