原位转化铋板制备高活性铋纳米薄膜用于光电催化CO2还原制甲酸盐

为解决铋基光催化剂在光电催化CO2还原（PEC CO2RR）中的光腐蚀和稳定性不足问题，研究人员通过耦合阳极氧化-电还原策略，原位制备了兼具Bi0与非晶Bi-O结构的高活性铋纳米薄膜。该催化剂在-1.0 V vs. RHE下甲酸盐法拉第效率（FEformate）达90%，且10小时测试后仍保持优异稳定性。研究表明，非晶Bi-O作为关键活性位点，与金属Bi0的电子传导特性协同增强CO2吸附与活化效率，为高效铋基催化剂设计提供了新思路。

　　

随着全球碳中和目标的推进，光电催化CO₂还原（PEC CO₂RR）技术因其能模拟植物光合作用、将CO₂转化为高附加值化学品而备受关注。然而，铋基光催化剂在实际应用中面临两大瓶颈：一是光腐蚀导致活性组分Bi³⁺被还原为金属Bi⁰，催化性能急剧下降；二是传统制备方法难以兼顾高活性与长周期稳定性。山西大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，创新性地提出了一种原位合成策略，通过阳极氧化-电还原两步法将铋板直接转化为高活性铋纳米薄膜，为解决上述问题提供了突破性方案。

研究团队首先以铋板为基底和铋源，通过电化学阳极氧化制备铋氧卤化物（BiOX, X = Cl, Br, I）前驱体薄膜，再经电还原处理构建出Bi⁰与非晶Bi-O共存的铋纳米薄膜。关键技术包括：1）可控电化学氧化还原工艺；2）原位结构表征（XRD、XPS等）；3）光电化学性能测试体系；4）密度泛函理论（DFT）计算验证活性位点机制。

结果与讨论

1. 材料制备与表征：SEM显示前驱体经电还原后形成致密纳米薄膜，XPS证实Bi⁰与非晶Bi-O共存结构。UV-Vis DRS表明该薄膜具有优异的可见光吸收能力。
2. 催化性能：在-1.0 V vs. RHE电位下，FE_formate达90%，且连续反应10小时后活性无衰减，远超传统铋基催化剂。
3. 机理研究：DFT计算揭示非晶Bi-O作为CO₂吸附活化中心，与金属Bi⁰的电子传导特性协同降低*OCHO中间体转化能垒，从而提升甲酸盐选择性。

结论与意义
该研究实现了三大创新：1）开发出铋板原位转化纳米薄膜的普适性方法；2）阐明非晶Bi-O与Bi⁰协同催化机制；3）为设计抗腐蚀、高稳定的光电催化剂提供新范式。这项工作不仅推动了PEC CO₂RR技术的发展，其"基底-活性位点一体化"设计理念对其他金属基催化剂研发具有重要借鉴价值。论文通讯作者Xiaochao Zhang团队强调，未来可通过调控非晶/晶相比例进一步优化性能，这为铋基材料在碳中和领域的应用开辟了新方向。