目前，高純度 CO
2 而非與煙道氣類似的稀 CO
2（15 vol %，CO
2/N
2/O
2 = 15:80:5，v/v/v）被用作 CO
2 電還原的原料，液態(tài)產(chǎn)物通常與陰極電解質(zhì)混合，導(dǎo)致產(chǎn)品分離成本高昂。在這項(xiàng)工作中，我們發(fā)現(xiàn)一種微孔導(dǎo)電 Bi 基金屬有機(jī)框架（Bi-HHTP，HHTP = 2,3,6,7,10,11-六羥基三亞苯）不僅能在高濕度條件下從稀 CO
2 中高效捕集 CO
2，還能在 2.6 V 的極低電池電壓下催化吸附的 CO
2 電還原成甲酸，其電流密度高達(dá) 80 mA cm
-2，法拉第效率達(dá) 90%。重要的是，在稀 CO
2 環(huán)境下的性能接近于在高純度 CO
2 環(huán)境下的性能。這是第一種能在同時(shí)存在氧氣和氮?dú)獾那闆r下保持卓越 eCO
2RR 性能的催化劑。此外，通過使用稀 CO
2 作為原料，在膜電極組件（MEA）電解槽中，涂覆有 Bi-HTP 的 1 cm
-2 工作電極可在至少 30 小時(shí)內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生相對純度為 100% 的 200 mM 甲酸水溶液。該產(chǎn)品不含電解質(zhì)，這種高濃度、高純度的甲酸水溶液可直接用作甲酸燃料電池的電解質(zhì)。綜合研究表明，Bi-HTP 上的微孔具有捕獲二氧化碳的能力，而且開放的 Bi 位點(diǎn)上形成關(guān)鍵中間體 *OCHO 的吉布斯自由能較低，因而具有如此高的性能。
Fig 1. (a) Bi-HHTP中Bi離子的配位結(jié)構(gòu)。(b) Bi-HHTP的一維“之”字形雙鏈。(c) Bi-HHTP的三維π-π堆疊結(jié)構(gòu)，沿b軸方向有一維孔隙。(d) SEM圖像。(e) TEM圖像。(f) HADFF-TEM圖像。(g-i) EDX元素映射圖像。(j) Bi-HHTP和參比樣品的 Bi
L3邊XANES光譜。
Fig 2. Bi-HHTP的CO
2捕獲能力。(a) 在298 K下記錄的CO
2和N
2吸附等溫線。(c) 在298 K和1 bar條件下，相對濕度為0%（空心）和40%（實(shí)心）的15:85 CO
2/N
2（v/v）混合物的突破曲線。
Ci和
C0分別為入口和出口處每種氣體的濃度。
Fig 3. Bi-HHTP在全固態(tài)反應(yīng)池中用于eCO
2RR的電催化性能。(a) 在相對濕度為40%的條件下，分別在高純CO
2氣氛和低濃度CO
2（15 vol.%，CO
2:N
2 = 15:85，v/v）氣氛中的線性掃描伏安曲線。(b) 分別在高純CO
2氣氛和低濃度CO
2（15 vol.%，CO
2:N
2 = 15:85, v/v）氣氛中，不同電池電壓下相應(yīng)的甲酸FEs和電流密度。(c) 2.7 V下長時(shí)間穩(wěn)定性測試。
Fig 4. (a) Bi-HHTP的eCO
2RR的原位ATR-FTIR光譜。(b) 分別計(jì)算Bi單質(zhì)、Bi
2CO
5和Bi-HHTP上eCO
2RR過程的吉布斯自由能變。
相關(guān)研究工作由中山大學(xué)Pei-Qin Liao課題組于2024年在線發(fā)表在《JACS》期刊上，Efficient Capture and Electroreduction of Dilute CO2 into Highly Pure and Concentrated Formic Acid Aqueous Solution，原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/jacs.4c04841
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
