【儀表網 研發快訊】電催化還原CO₂產生高附加值的化學品和燃料。而熱力學穩定的CO₂難以被活化，制約其催化反應速率。在多數鉍基硫化物中，具有層狀結構和高電子遷移率的硫化鉍（Bi₂S₃）作為一種窄帶隙（~ 1.3 e V）半導體，已成為在大電流密度下高效轉化CO₂的潛在材料。加入儀表網，馬上發布/獲取信息

受植物薊三維分級結構形貌特征以及表面通過均勻包覆植物蠟以防止水分過多蒸發及微生物侵襲等功能的啟發，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員陳航榕團隊與復旦大學教授鄭耿鋒合作，通過在3D分級結構的海膽狀Bi₂S₃納米花表面原位聚合導電聚合物PPy，構建了富S空位的新型Bi₂S₃-PPy復合電催化劑。該催化劑獨特的類植物薊納米形貌有助于暴露出更多催化活性位點，且其優異的電子導電性和優化的電子結構顯著增強了對反應物CO₂分子的吸附和活化以及對反應中間體*OCHO的吸附。

研究在流動電解池中的CO₂RR性能測試結果表明，Bi₂S₃-PPy催化劑具有優異的CO₂RR催化活性，在–1.2 V vs. RHE電勢下電流密度達到-550 mA cm^-2；在-0.78至-1.18 V vs. RHE電勢范圍內維持90%以上的甲酸鹽 （formate）選擇性；同時，在最優電勢-0.98 V vs. RHE下的13 h穩定性測試中，formate選擇性接近100%，電流密度為-300 mA cm^-2，展示了良好的工業應用潛力。

進一步，研究結合原位ATR-IR光譜解析了CO₂RR過程，認為來自電解液的HCO_3-和氣體CO₂均可參與* OCHO中間體的形成。DFT計算發現，S空位的存在，利于CO₂活化；與Bi₂S₃相比，Bi₂S₃-PPy的最高電子態更接近費米能級，表明*OCHO中間體的結合強度較高；同時，吸附*OCHO中間體的Bi₂S₃-PPy的Bi位6p軌道電子數低于*COOH物種的6p軌道電子數，說明電荷更容易從Bi位轉移到* OCHO中間體上，因而利于甲酸鹽產物的生成。

相關研究成果以Bio-inspired engineering of Bi₂S₃-PPy composite for efficient electrocatalytic reduction of carbon dioxide為題，發表在《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）上。研究工作得到國家自然科學基金等的支持。

論文鏈接 

（a）受植物薊啟發的納米結構設計和（b）Bi₂S₃-PPy復合催化劑合成示意圖。

（a）Bi₂S₃-PPy和Bi₂S₃的XRD圖譜；（b）典型的SEM圖像；（c-d）TEM圖像；（e-f）HRTEM圖像；（g） Bi₂S₃-PPy的選區電子衍射；（h-i）（e）中用橙色矩形標記的區域的高斯濾波降噪圖像；（j-l）（h） 中虛線箭頭對應的晶格條紋的強度分布；（m）Bi₂S₃沿[001]晶帶軸的原子模型；Bi₂S₃-PPy的（n-r）HAAD-STEM元素分布圖。

（a-b）流動電解池示意圖；（c）Bi₂S₃-PPy在CO₂或Ar飽和的1.0 M KOH中的LSVs曲線；（d）不同電位下的甲酸電流密度；（e）formate、CO和H₂的法拉第效率；（f）在-250 mA cm^-2和-300 mA cm^-2的電流密度下，對比了FEformat和jformate Bi₂S₃-PPy和現有報道相關催化劑的催化性能；（g）Bi₂S₃-PPy在- 0.98 V vs . RHE下的穩定性測試。