高性能電催化劑的制備的新思路

　　甲酸/甲酸鹽作為一種重要的化工原料及燃料被廣泛應用于化工、能源等領域。但工業化制備甲酸/甲酸鹽的過程十分耗時、耗能，但電化學合成工藝可以在常溫常壓下得到甲酸/甲酸鹽產物，是一種有前景的替代方案。然而，如何設計開發高效穩定的甲酸/甲酸鹽電化學合成體系是目前面臨的挑戰。

　　電催化CO₂還原反應（CO₂RR）是一種生產甲酸/甲酸鹽的有效方法。具有超薄結構的鉍烯（Bi-ene）納米片材料，因具有良好的導電性、豐富的缺陷和配位不飽和位點、極高的原子利用率、特殊的量子尺寸效應和應力作用等而展現出優異的電還原CO2制甲酸/甲酸鹽的潛力。但如何設計制備具有超薄結構的Bi-ene材料是目前研究面臨的難點。CO₂全電解時陽極發生的析氧反應（OER）動力學緩慢，通常需要較高的過電位，降低了整體的能量效率，且產生的氧氣產物附加值低。因此，近年來還提出利用OER的替代反應來提高整體反應的效率。其中，利用電化學甲醇氧化反應（MOR）代替OER可以顯著降低電能消耗，并能選擇性地獲得更高附加值的甲酸/甲酸鹽產物。此外，甲醇來源豐富，價格低廉 ，成為生產甲酸/甲酸鹽的理想途徑。

　　基于此，中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員朱起龍團隊以及日本產業技術綜合研究所教授徐強在國家自然科學基金等項目的資助下，報道了一種CO₂RR耦合MOR的成對電合成策略，實現了在雙電極電解體系中的陰、陽兩極高效協同合成同一種甲酸鹽產物，超寬電位范圍下選擇性均接近100%，大幅提高了電化學合成的整體經濟效益。在該電化學合成體系中，陰極的CO₂RR催化劑和陽極的MOR催化劑均是以金屬有機框架材料（MOFs）為前驅體，通過原位電化學轉化法設計合成的原子薄層Bi-enes及自支撐Ni(OH)2納米片陣列。在陰極CO₂RR中，Bi-enes表現出優異的電催化性能，在寬電勢窗口以高選擇性（>95%）、大電流密度以及良好的穩定性實現甲酸鹽的生成。作為MOR的工作電極，Ni(OH)2納米片陣列僅需1.345以及1.388 V的低電壓即可輸出100和500 mA cm-2的超高電流密度，且以接近100%的選擇性將甲醇轉化成甲酸鹽。兩電極的催化性能均明顯優于目前報道的絕大多數催化劑。因此，基于CO₂RR-MOR耦合的成對電合成體系可展現出卓越的電催化合成性能，并在陰、陽兩極以接近100%的選擇性高效生成甲酸鹽。

　　綜上所述，該研究為高性能電催化劑的制備提供了新思路，并為新型電化學合成體系以及CO₂全電解體系的開發提供了借鑒。相關研究成果在線發表在Advanced Materials上，論文第一作者為研究員朱起龍指導的在讀博士生曹昌盛。

　　CO₂RR耦合MOR成對電合成示意圖