氟掺杂稳定Bi-O活性中心实现pH普适性工业级电流密度CO2电还原制甲酸盐

为解决CO2电还原反应(CO2RR)中Bi-O活性中心稳定性不足和pH适用范围受限的问题，研究人员通过氟掺杂策略开发了F-Bi/BOC@GO催化剂。该催化剂在pH 1-13.6范围内实现95%甲酸盐法拉第效率(FEformate)，并在200 mA cm-2工业级电流密度下稳定性提升近9倍。研究揭示了氟通过电子捕获机制稳定Bi-O基序的原子级机理，为宽pH条件下CO2RR工业化应用提供了新思路。

　　

随着全球碳排放持续增加，开发高效CO₂转化技术成为当务之急。电催化CO₂还原反应(CO₂RR)可将CO₂转化为高附加值化学品，是实现碳循环的重要途径。其中，甲酸(HCOOH)因其易于储存运输、可作为氢能载体等优势备受关注。铋(Bi)基催化剂因其对甲酸的高选择性和环境友好特性成为研究热点，但现有催化剂面临两大瓶颈：一是Bi-O活性中心在还原条件下易解离，二是碱性电解质中CO₂易转化为碳酸盐导致系统失活。如何在宽pH范围、工业级电流密度下维持Bi-O结构稳定性，成为推动CO₂RR实际应用的关键科学问题。

针对上述挑战，华东理工大学的研究团队在《Journal of Energy Chemistry》发表研究，通过氟掺杂策略成功开发出F-Bi/BOC@GO催化剂。该工作采用水热法合成氟掺杂的铋/碳酸氧铋-氧化石墨烯复合材料，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，系统阐明了氟稳定Bi-O活性中心的电子调控机制。

关键技术方法包括：1) 水热法制备F-Bi/BOC@GO催化剂；2) 流动池测试宽pH(1-13.6)条件下的电催化性能；3) 原位拉曼监测Bi-O键动态变化；4) DFT计算氧解吸能垒；5) XPS分析电子结构演变。

Results and discussion
催化剂表征显示氟掺杂未改变Bi/BOC@GO的纳米片形貌，但XPS证实F引入导致Bi⁰电子密度降低。电化学测试表明，在碱性电解液中F-Bi/BOC@GO的FE_formate达97.5%，j_formate高达585 mA cm^-2；在pH=1酸性条件下仍保持97.5%选择性和585 mA cm^-2电流密度。稳定性测试显示，氟掺杂使200 mA cm^-2电流密度下的稳定运行时间从2.5小时延长至22小时以上。

Conclusions
该研究揭示了氟掺杂通过"电子陷阱"效应引导电子流向Bi-Bi键，从而保护Bi-O活性中心的创新机制。DFT计算证实氟使Bi-O结构的氧解吸能垒提高0.42 eV，显著增强结构稳定性。这项工作不仅开发出首个pH普适性工业级CO₂RR制甲酸催化剂，更通过原子级电子调控策略为设计稳定电催化体系提供了新范式。研究团队特别指出，氟掺杂策略可拓展至其他金属氧化物催化体系，对推动CO₂电还原工业化具有重要指导意义。