工业级CO2-甲酸盐电催化转化性能基准的建立：铋盐在全pH条件下的普适性研究

本文针对工业级CO2-甲酸盐电催化转化缺乏标准化性能基准的问题，系统评估了商用铋基化学品（金属、氧化物、盐类）的电催化性能，发现铋盐（如Bi(NO3)3）在全pH条件下均可作为性能基准，实现>90%法拉第效率（FE）、高电流密度（>200 mA cm–2）及长期稳定性，为工业规模甲酸盐生产提供了材料筛选范式和设计指导。

　　

论文解读

研究背景
甲酸（HCOOH）作为基础有机化学品，在化工、能源和医药领域应用广泛。传统合成方法如热催化、光催化等存在能耗高或条件苛刻的局限，而电催化CO₂还原（ECR）因其绿色、高效特性成为研究热点。然而，工业级ECR需满足三大核心指标：高电流密度（>200 mA cm^–2）、高法拉第效率（FE>90%）及长期稳定性。当前，铋（Bi）基催化剂虽表现出优异活性，但缺乏类似析氧反应中RuO₂/IrO₂的标准化性能基准，阻碍了催化剂开发的横向比较和工业化进程。

研究方法
中国科学院海西研究院团队通过系统筛选商用铋基化学品（金属、氧化物、盐类），结合电化学测试（如线性扫描伏安法）、材料表征（SEM、XRD）及原位光谱技术，评估其在酸性、中性和碱性条件下的ECR性能。重点考察铋盐（如Bi(NO₃)₃）的电化学重构行为，并与铟（In）、锡（Sn）、铅（Pb）类似物对比，验证其普适性。

研究结果

1. 铋盐的基准可行性
   商用铋金属因颗粒大、活性位点不足（SEM显示微米级颗粒）无法满足工业需求（电流密度<20 mA cm^–2）。而铋盐通过原位电化学重构形成分级多孔结构，在全pH条件下均实现>90% FE和>200 mA cm^–2的电流密度，且成本低廉（<6美元 kg^–1）。

2. 与In/Sn/Pb的对比分析
   铋盐的还原电位（-1.2 V vs. RHE）显著低于其他金属类似物，且其重构后的活性相（零价Bi）在长期运行中保持稳定，而In/Sn/Pb易发生相变或溶解。

3. 工业适配性验证
   在流动池中，铋盐涂层电极连续运行100小时仍保持90% FE，且甲酸盐选择性不受pH波动影响，满足工业设备对催化剂稳定性的要求。

结论与意义
该研究首次建立铋盐作为CO₂-甲酸盐电催化转化的性能基准，解决了实验室研究与工业化应用间的标准缺失问题。其提出的材料筛选范式（如pH普适性、成本可控性）为设计实用型ECR催化剂提供了科学依据，推动可持续甲酸盐生产的规模化发展。论文发表于《Applied Catalysis A: General》，为电催化领域树立了可复制的评估体系。