通过调节气体-质子微环境来增强二氧化碳向甲酸的电还原过程

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：Gas–Proton Microenvironment Modulation for Enhanced CO2-to-Formate Electroreduction

通过部分嵌入PVDF到Bi纳米颗粒中构建双亲超疏水界面，稳定*OCHO中间体并抑制副反应，实现高电流密度下CO2电催化高效制甲酸，机理研究揭示界面调控电荷分布和hydration促进选择性反应。

　　

摘要

精确控制界面水结构对于抑制副反应以及在工业电流密度下实现选择性二氧化碳（CO₂）电还原至关重要。在本研究中，我们通过将聚偏二氟乙烯（PVDF）部分嵌入铋（Bi）纳米颗粒中，合成了一系列具有空间编码的超亲水-超疏水纳米结构的铋基催化剂。这种策略形成了界面极性模式，稳定了*OCHO*中间体，同时抑制了氢气和二氧化碳的释放。与未使用PVDF的对照组相比，优化后的Bi-PVDF催化剂表现出显著提高的甲酸生成电流密度、法拉第效率（FE）和长期稳定性。在-200 mA cm^-2的电流密度下，该催化剂50小时内法拉第效率可超过90%，并且在高达-700 mA cm^-2的电流密度下仍保持高选择性。操作光谱学和多尺度模拟表明，这种双亲水性界面调节了局部水合作用和电荷分布，促进了选择性中间体的形成，同时从动力学上抑制了副反应路径。通过解决气体-质子传输耦合这一长期存在的挑战，本研究提供了一种基于机制驱动且可扩展的方法，用于构建高速率、选择性二氧化碳电还原的界面微环境。

图形摘要

一种具有空间编码的超亲水和超疏水纳米结构的Bi-PVDF催化剂能够在三相界面实现二氧化碳（CO₂）和质子传输的分离，从而在工业相关电流密度下促进选择性*OCHO*中间体的稳定，并实现高效率的二氧化碳到甲酸的转化。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。