主要介绍
文献题目:Separated Growth of Bi-Cu Bimetallic Electrocatalysts on Defective Copper Foam for Highly Converting CO2 to Formate with Alkaline Anion-exchange Membrane beyond KHCO3 Electrolyte
期刊：Applied Catalysis B: Environmental
DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.120003
Pub Date: 2021-02-16
IF :24.319
双金属Cu和Bi电极的合成
图1：双金属 Bi-Cu 电极是通过两步法合成的。首先，原始泡沫铜在空气条件下在 120 ℃下热处理 1 小时。
图 2a：原始的泡沫铜分布着大量相互连接的孔，这将提供足够的空间让电解液自由循环。此外，泡沫铜的表面相当光滑（图2b）。生长衬底的预处理是成功电沉积工艺的先决条件，因为第一层金属沉积决定了沉积层和衬底之间的结合力。
图2c：氧化的泡沫铜对Cu 2+和Bi 3+离子的生长具有一定的氧缺陷。
图2d：纯铜枝晶在 0.27 μm 左右形成丛林，成功沉积在有缺陷的基板上。
图2e纯Bi电极显示出与纯Cu电极相似的微观结构以及一些贯穿内外的树枝状晶体和微腔。
图2 f：Bi-Cu双金属电极显示出紧密的苔藓状微观结构，这与纯铜和铋形态有很大不同。这一结果支持了这样的结论，即在 Bi 生长过程中引入 Cu 原子，由于树枝状晶体的消失和双金属晶粒的出现，将形成更稳定的结构。这种苔藓状微结构可以提供大量的体积和活性位点来促进CO 2反应中间体的传质，从而促进eCO2RR 。
图2g：纯铜电极的 X 射线衍射 (XRD)图显示了 43.47°、50.37°、73.99° 处的典型峰，表明 (111)，( 200），（220）金属Cu平面
图2h：纯Bi电极在27.42°，38.27°，39.86°处显示三个峰，对应于（012），（104), (110) 金属 Bi 平面 (JCPDS PDF# 01−0699)。
图2i：金属 Bi 的 (012) 和 (110) 面以及仅金属 Cu 的 (111)、(200)、(220) 面，这证实了 Cu 和 Bi 原子分别生长在彼此上，形态稳定。
图 3a：显示出树状形态，有一些沿相同方向的分支，这支持了晶体生长主要沿 Cu (111) 平面生长的证据。
图3b：纯Bi电极的分支由一个厚的骨架组成，骨架上包裹着一层薄膜铋层，内部有一些分散的Bi纳米颗粒。
图3c：这种独特的形态可以提供许多促进eCO 2 RR 的活性位点和加速CO 2中间产物扩散的广阔空间。
图3d：Bi 和 Cu 原子均匀分布的双金属电极的元素映射图像。发现 Cu 原子均匀地散布在 Bi 原子的表面，这可以证实Cu和Bi原子的分离生长。
图3e：Cu 和 Bi 原子分离生长的模型。
图 4 a、b：0.3275 nm的晶格间距表示可以通过（FFT）图像确认的Bi（012）面（图4c），其中Bi（012）面的响应强度高于Cu（111）和（ 200) 。图4d：Cu和Bi的重量百分比（wt％）为1：7.785，其原子百分比（σ）为1：3。
图4e : Bi 电极在 158.80 和 164.12 eV 处有两个强峰，归因于 Bi 3+ ，表明形成了氧化表面 。原因可能是在 XPS 测量之前暴露在空气中或吸附的氧气。
CO2的电催化还原
图 5a: CO 2饱和条件下的电流密度大于 N2饱和条件下的电流密度，表明所有这些电极都对 CO 2有活性减少。
图5b:这些值表明，第一个电子转移形成吸附的 CO2 * -中间体是 CO 2还原的化学速率决定步骤。
图5e:Cu和Bi原子的分离生长将具有协同作用，抓住电解液中的游离CO 2分子，然后转化为吸附的CO2 * -中间体，有利于OCHO*的形成中间并通过这种方式促使甲酸的生成。
图5c:在 -0.71 到 -1.16 V RHE之间的不同选择电位下分析产物分布。0.5 M KHCO 3中的双金属电极随着电位的增加表明FE HCOO -被发现在 -0.71 至 -0.91 V RHE之间的电位窗口内持续增加，达到最大值 (95.8%)，
图 5 d:总电流密度从 -0.71 V RHE 时的 -1.78 mA cm -2 提高到-1.16 V RHE时的58.43 mA cm -2，
图 5 h :其中部分电流密度甲酸盐在 -0.91 V RHE时从 16.03–27.85 mA cm -2有很大的增强并且，58小时电解过程中电流密度的明显波动可能是由于工作电极表面产生的甲酸相对较快。
图 5 i:这项工作显示出优于大多数最先进的基于 Bi 的 eCO 2 RR 催化剂的性能.
结论
总之，本文成功地设计了一种简便的方法来合成相互分离生长的 Cu-Bi 双金属电极。由于Cu和Bi原子的协同作用，这种双金属电极作为将CO2转化为甲酸盐的高效电催化剂，在-0.91 V RHE时可以达到诱人的法拉第效率（94.37%）和部分电流密度（27.85 mA cm -2 ） 。此外，这种具有紧密苔藓状结构的电极在58小时电解下表现出优异的耐久性，甲酸盐的分电流密度没有明显下降。此外，不同电解质和膜的影响表明，KOH 是比 KHCO3更理想的电解质由于较低的溶液阻力和更多的游离CO2气体的限制，碱性阴离子交换膜是一种比阳离子交换膜更理想的分离器，因为通过抑制H2的释放来提高甲酸盐的选择性。该研究可能为通过简便的电化学沉积方法直接合成具有协同效应的多孔双金属电极提供更深层次的概念，用于催化、储能、转化反应等。
转自：“科研一席话”微信公众号
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