使用CO2中性可再生能源，利用电化学法将CO2还原为增值液体燃料，这对于解决气候问题非常有希望，而为了实现其实际应用，迫切需要高活性和廉价的电催化剂。在此项研究中，我们通过实验获得了对CO2还原的高电催化活性，并用于甲酸的合成，其所得电流密度提高了15.1mAcm-2，在电化学还原的超薄BiOBr纳米片上，法拉第效率大大提高到98.4％，并获得了24小时运行期间的稳定性能。此外，通过检测表面重组后暴露的晶面并应用密度泛函理论计算，提出了衍生的Bi催化剂可能的反应途径和催化活性面，为直接开发优化的金属Bi催化剂提供了基础和设计原理，此法应用于增强电催化将二氧化碳转化为甲酸的能力。
图1.通过调节反应物，用简单的溶剂热法合成Bi-NSS。所采用的图1a扫描电子显微镜（SEM）和图1b透射电子显微镜（TEM）代表了定义明确的2D超薄纳米结构，图1c中的原子力显微镜（AFM）图像确认了其约为7.01nm的纳米厚度，图1d显示了制备的Bi-NSS的高分辨率TEM（HRTEM）图像，且层距的晶格条纹为0.nm，对应于BiOBr的（）晶格平面。图1e选定区域电子衍射（SAED）进一步揭示了BI-NSS的高纯度和单晶性质，而图1f则显示出通过能量色散X射线元素映射可以观察到均匀的成分。
图2.考虑到反应速率和选择性的结合，甲酸形成的部分电流密度（甲酸）应该是一个非常全面的指标，如图2c所示，而Bi-NSS的甲酸盐在-1.3V时可实现高达-18.4mAcm-2的峰值。此外，Bi-NSS在-1.3V时可达到最大转换频率（TOF）。与之形成鲜明对比的是，Bi-FS，Bi-SS和CR-Bi的最高电流密度分别为8.6、6.6mAcm-2和6.3mAcm-2，但除此之外，两者均达到-1.2V，这意味着更高的过电位无法确保更高的乘积，则就代表着不同的动力学速率。图2d显示Bi-NSS的Tafel斜率约为mV/十倍，比Bi-FS（mV/十倍），Bi-SS（mV/十倍）和CR-Bi（mV/十倍），这表明较高的CO2还原动力学。图2显示了Bi-NSS，Bi-FS，Bi-SS和CR-Bi的CO2甲酸电还原数据。其中图a在CO2饱和（实线）和Ar饱和（虚线）0.1MKHCO3水溶液中的线性扫描伏安曲线。图b是在每个给定电位下甲的法拉第效率。图c是在每个给定电势下朝向甲酸盐的部分电流密度。图d是塔菲尔地块。
图3.能量转换效率是基准电催化剂的另一个关键参数。根据早期的报告评估甲酸形成的能效，如图3a所示，低过电势和Bi-NSS的高FE有助于提高能效。在实际应用中，催化剂的稳定性至关重要，因此Bi-NSS的长期耐久性通过计时安培实验在-1.2V的施加电势下持续24h进行评估，检查产品相对于时间的分布，然后每隔一段时间测量并计算甲酸盐的相对FE，如图3b所示。值得注意的是，Bi-NSS催化剂在连续电解24小时期间表现出非常稳定的总几何电流密度。最终，Bi-NSS的甲酸盐的FE约为95.0％，而下降幅度仅为3.4％。因此，如此高的活性、选择性和稳定性使Bi-NSS成为减少CO2的潜在手段。图3a中Bi-NSS，Bi-FS，Bi-SS和CR-Bi在不同施加电势下的阴极能效，而图b则反应利用计时安培法，在相对于具有最高法拉第效率的-1.2V的相应电势的RHE下所得到的结果，以及在一系列电势下相对应的FE结果。
总之，我们开发了一种理想的BiOBr超薄2D纳米片，它可增强Bi从而减少CO2的活性。通过以上大量的电化学测量手段，表明电化学还原的超薄BiOBr纳米片具有较高的催化活性，电化学还原的BiOBr超薄2D纳米片催化剂对CO2转化成甲酸的选择性、电流密度、法拉第效率等都明显提高，并且能获得24小时运行期间的稳定性能。此外，通过检测表面重组后暴露的晶体平面并应用理论计算，提出了衍生的Bi催化剂可能的反应途径和催化活性平面，为直接开发优化的金属Bi催化剂提供了基础和设计原理。
Fan-luMeng,QiZhang,Yan-xinDuan,Kai-huaLiu,andXin-boZhang,StructureOptimizationofMetalOxyhalidforCO2ReductionwithHighSelectivityandCurrentDensity,Chin.J.Chem,.
DOI:10./cjoc.00203
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编辑：落雨清风审核：小小虾
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