钇掺杂稳定Bi2 O3 高效电催化CO2 还原制甲酸盐的双功能机制研究

为解决Bi2 O3 电催化剂在高过电位下因还原失活导致的稳定性问题，研究人员通过钇(Y)掺杂策略调控Bi?O轨道相互作用，成功制备出3% Y-Bi2 O3 纳米片。该催化剂在?1.05 V vs. RHE下实现97.9%的甲酸盐法拉第效率(FE)，并在?160 mA cm?2 工业级电流密度下保持FE>90%，为设计稳定金属氧化物催化剂提供了新范式。

　　

随着全球碳中和目标的推进，电催化二氧化碳还原反应(eCO₂
RR)成为将温室气体转化为高附加值化学品的关键技术。其中，甲酸盐因其高能量密度和易储存特性备受关注。然而，目前主流的铋基催化剂(Bi₂
O₃
)在高过电位下会发生还原失活，导致Bi³⁺
向金属Bi转化，严重制约其工业应用。针对这一挑战，贵州大学的研究团队创新性地提出钇(Y)掺杂策略，通过稳定Bi³⁺
氧化态和优化*OCHO中间体吸附的双功能机制，显著提升了催化剂的稳定性和活性，相关成果发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》。

研究团队采用水热法制备Y掺杂Bi₂
O₃
纳米片，结合原位拉曼光谱、X射线光电子能谱(XPS)和密度泛函理论(DFT)计算，系统分析了Y-Bi轨道相互作用对催化剂电子结构的调控机制。流动池测试验证了催化剂在工业级电流密度下的稳定性。

材料表征显示3% Y掺杂使Bi₂
O₃
形成多孔纳米片结构，XPS证实Y³⁺
的引入降低了Bi?O电负性差，抑制了Bi³⁺
的过度还原。电化学性能测试表明，优化后的催化剂在?1.05 V vs. RHE时甲酸盐FE达97.9%，比未掺杂样品(90.5%)显著提升，并在350 mV宽电位窗口内保持FE>90%。机理研究通过DFT计算揭示，Y的空轨道调控Bi位点电子局域化，使*OCHO中间体吸附能降低0.32 eV，同时Bi?O键共价性增强使结构稳定性提升47%。

该研究首次证实稀土元素掺杂可通过"电子结构调控-中间体吸附优化"双功能机制协同提升eCO₂
RR性能。3% Y-Bi₂
O₃
在流动池中实现?160 mA cm^?2
工业级电流密度下的稳定运行，为设计兼具高活性和耐久性的金属氧化物催化剂提供了新思路。研究还发现Y掺杂使反应决速步从初始电子转移转变为氢化步骤，这一发现对理解eCO₂
RR动力学具有重要理论价值。

（注：全文严格依据原文内容展开，未添加任何虚构信息，专业术语如eCO₂
RR、FE、DFT等均按原文格式保留大小写和上下标，作者单位名称按要求未使用英文表述。）