E Pluribus Unum：药剂师这一职业与社会不断变化的需求

《Journal of the American Pharmacists Association》：E Pluribus Unum: Pharmacists, The Profession & The Changing Needs of Society

电化学将二氧化碳转化为甲酸的新方法，采用PbBiNi合金催化剂，通过SEM、TEM、XRD和XPS表征其纳米结构和电子协同效应，利用响应面法优化电解质浓度（0.184 M）、电流密度（56 mA/cm2）和催化剂用量（8.32 mg），实现81%的Faradaic效率、756 mg/L甲酸浓度和3.45 kWh/kg能耗，并通过10小时稳定性测试验证。

　　随着全球工业化进程的加快，大气中的二氧化碳（CO?）浓度持续上升，这不仅加剧了全球变暖和气候变化等环境问题，也对能源结构提出了严峻挑战。为应对这一问题，科学家们正在探索多种技术手段，以实现CO?的有效利用和转化。其中，电化学方法因其能够与可再生能源系统集成、具备可调节的产品选择性以及可扩展性，成为CO?转化研究中的一个热点方向。特别是在将CO?转化为高附加值化学品如甲酸（HCOOH）方面，电化学方法展现出了巨大的潜力。然而，这一过程面临诸多挑战，包括高活化过电位、催化剂稳定性、选择性控制以及电解液成分优化等。因此，开发高效、稳定且具有高选择性的催化剂成为推动CO?电化学还原技术发展的关键。

在众多可能的转化路径中，CO?还原为甲酸被认为是一个具有实际应用前景的反应。甲酸不仅具有较高的能量密度，还可作为氢载体用于燃料电池技术，同时在医药、化工等领域也有广泛应用。为了实现这一目标，研究者们不断尝试改进催化剂的性能，其中金属合金催化剂因其能够通过协同效应优化电子结构和表面活性，成为当前研究的重点。例如，铋（Bi）、锡（Sn）和铅（Pb）等金属在CO?还原为甲酸的过程中表现出了良好的催化活性，而镍（Ni）则因其增强导电性和调节电子结构的能力，常被用作合金成分。通过合理设计合金比例，可以有效提升催化效率和反应选择性，同时降低能耗，从而推动该技术向工业化应用迈进。

本文介绍了一种新型的PbBiNi合金催化剂，该催化剂在常温条件下表现出优异的催化性能。研究通过一系列实验设计，结合响应面方法（Response Surface Methodology, RSM）对催化剂的性能进行优化。实验中考察了电流密度、催化剂用量和电解液浓度等关键参数，最终确定了最佳操作条件：在电流密度为56 mA/cm2、电解液浓度为0.184 M、催化剂用量为8.32 mg的条件下，甲酸的产量达到了756 mg/L，法拉第效率（Faradaic Efficiency, FE）达到了81%，单位产物的能耗为3.45 kWh/kg。这些结果表明，PbBiNi合金催化剂在CO?电化学还原为甲酸方面具有显著优势，其性能不仅优于传统单一金属催化剂，也优于其他已报道的二元合金催化剂。

为了深入理解该催化剂的结构和性能，研究团队采用了一系列表征技术。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，该合金催化剂具有高比表面积和多孔结构，这种结构有助于提高反应物的传质效率，并增加活性位点的数量，从而提升催化活性。透射电子显微镜（TEM）进一步揭示了催化剂的纳米级形貌，其粒径分布在5至15纳米之间，表明其具有良好的分散性和均匀性。X射线衍射（XRD）分析显示，催化剂呈现出清晰且强烈的衍射峰，对应于Pb、Bi和Ni的晶面结构，这证实了其良好的结晶性和结构稳定性。X射线光电子能谱（XPS）分析则提供了催化剂表面化学状态和电子结构的信息，显示出Pb、Bi和Ni之间存在显著的电子相互作用，这种协同效应有助于降低反应活化能并提高反应选择性。

在实验过程中，研究团队采用H型电解池进行电化学测试，其中阴极部分使用了PbBiNi合金催化剂，阳极部分则使用铂（Pt）作为对电极。阴极电解液为不同浓度的碳酸氢钠（NaHCO?）溶液，而阳极电解液为0.1 M氢氧化钾（KOH）溶液。通过控制实验条件，如电流密度、催化剂用量和电解液浓度，研究团队系统地评估了催化剂的性能。实验结果表明，当电流密度适中时，催化剂能够实现较高的法拉第效率，同时保持较低的能耗。此外，实验还发现，催化剂在长时间运行（超过10小时）后仍能保持良好的稳定性，这对于实际应用具有重要意义。

研究还采用响应面方法（RSM）对实验参数进行优化，该方法通过构建二次模型，分析变量之间的相互作用，从而预测最佳反应条件。实验结果显示，PbBiNi合金催化剂在优化条件下表现出优异的性能，不仅实现了较高的甲酸产量，还展现出良好的选择性和稳定性。此外，通过对比已有文献中的催化剂性能，PbBiNi合金在法拉第效率和能耗方面均优于其他类似材料，这进一步验证了其作为CO?电化学还原催化剂的优越性。

从实际应用的角度来看，PbBiNi合金催化剂的制备过程相对简单，且使用了铅、铋和镍等易获取的金属，这为大规模生产和实际应用提供了便利。此外，该催化剂的高比表面积和均匀的纳米结构使其在反应过程中具有更高的活性位点密度，从而提升了反应效率。同时，其良好的电子结构和表面化学特性有助于抑制竞争反应（如氢气析出反应，HER）并促进CO?向甲酸的定向转化。

综上所述，PbBiNi合金催化剂在CO?电化学还原为甲酸的过程中展现出卓越的性能。其独特的结构和协同效应使其在法拉第效率、选择性和稳定性方面均优于传统催化剂。该研究不仅为CO?转化技术提供了新的思路，也为开发高效、可持续的碳捕集与利用（CCU）系统奠定了基础。未来，进一步优化催化剂的性能，并探索其在不同反应条件下的适用性，将是推动该技术走向商业化的重要方向。此外，该催化剂的制备方法和性能表现也为其他类似金属合金催化剂的开发提供了参考价值。