《文章投稿》遠程P調控Bi單原子實現超寬電位下CO2還原制CO

1. 文章信息

標題：Selective Electroreduction of CO2 to CO over Ultrawide PotentialWindow via Implanting Active Site with Long-Range P Regulationon Periodic Pores

頁碼：e202421149（2025），DOI：https://doi.org/10.1002/anie.202421149

2. 文章鏈接

Selective Electroreduction of CO2 to CO over Ultrawide Potential Window via Implanting Active Site with Long-Range P Regulation on Periodic Pores | Angewandte Chemie International Edition

3. 期刊信息

期刊名：Angewandte Chemie International Edition

ISSN：1433-7851

2024年影響因子：16.1

分區信息：中科院1區Top；JCR分區（Q1）

涉及研究方向：電催化

4. 作者信息：第一作者：陳大銅；

通訊作者：華南理工大學李映偉教授、王楓亮博士后副研究員。

5.文章中標記了“The gas products were detected by a gas chromatograph (GC 7920, Beijing China Education Au-light Co., Ltd.) equipped with a thermal conductivity detector (TCD), a flame ionization detector (FID) and a methane reformer."、“ The light power was measured by a light power meter (CEL-NP2000-2A, Beijing China Education Au-light Co., Ltd.).".

文章簡介： 

化石燃料的過度消耗導致大氣中二氧化碳濃度激增，加劇全球氣候危機。利用可再生能源（如太陽能、風能）驅動的電催化技術將CO2轉化為高附加值化學品（如CO、甲酸、乙烯等），既能實現碳循環利用，又能緩解能源短缺問題，被視為“雙碳"目標下的關鍵技術之一。然而，CO2分子具有高度穩定，且電催化CO2還原過程涉及復雜的多電子轉移路徑，同時伴隨析氫反應（HER）等副反應發生，導致目標產物選擇性低。此外，傳統催化劑受限于活性位點電子結構單一和孔道擴散阻力，難以在高電位下維持高選擇性，尤其是CO產物易因擴散受阻而積累，進一步加劇競爭反應。如何同時優化催化劑的電子結構與傳質通道，成為突破CO2電還原效率瓶頸的關鍵。

針對上述挑戰，華南理工大學李映偉教授、王楓亮副研究員團隊在《Angewandte Chemie International Edition》發表最新研究成果，提出了一種全新的催化劑設計策略：通過遠程磷（P）原子調控單原子鉍（Bi）位點的電子結構，并將其錨定于有序大孔-介孔分級碳骨架上（MW-BiN?-POMC），成功在超寬電位窗口（1000 mV）和高電流密度（414 mA cm-2）條件下實現了CO2電催化還原制CO產物。該工作不僅從原子尺度揭示了遠程P對CO2活化的強化機制，還通過孔道工程加速產物擴散，為高效CO2電催化轉化提供了新思路。

圖1. MW-BiN₃-POMC 的制備與表征

研究團隊以金屬有機框架（ZIF-8）為介導，通過聚苯乙烯球陣列引導形成有序大孔結構，并引入介孔二氧化硅（mSiO2）作為剛性界面，經碳化后獲得具有介孔“壁"的有序大孔氮摻雜碳骨架（圖1）。隨后，通過植酸和硝酸鉍前驅體將P和Bi原子植入骨架，最終得到MW-BiN?-POMC。球差電鏡與同步輻射表征證實，Bi以原子級分散形式存在，且與周圍3個N配位形成Bi-N3結構（圖2）；P原子未直接與Bi成鍵，而是以長程作用（距離約3.96 ?）嵌入碳骨架，并作為電子供體向Bi位點轉移電荷，形成富電子中心。

電催化CO2還原性能測試結果表明，MW-BiN3-POMC 在 1000 mV 的超寬電位窗口，CO的法拉第效率能保持在 90%以上，且最大CO分電流密度為 414 mA cm-2。此外，利用MW-BiN3-POMC作陰極，Co3O4-OMC作為陽極，在太陽能驅動下可同時實現 CO2 還原和 5-羥甲基糠醛氧化，在制備CO產物的同時獲得高附加值的 2,5-呋喃二甲酸產物（圖3）。

文章從原子水平到分子水平的多尺度分析技術研究了CO產物在Bi位點上的形成機制及其在周期性孔內的擴散行為。首先采用原位拉曼、原位 ATR-IR監測了ECRR的中間體的生成與轉化，并進行密度泛函理論計算，揭示活性位點的CO2還原過程。此外，采用AIMD 模擬和電荷分解分析，揭示遠程 P 摻雜對Bi 位點上 CO2 分子活化的作用。研究結果表明，P原子的引入可以強化p-p軌道相互作用，增強Bi 6p與CO2中C 2p軌道的雜化，以此形成“電子傳輸橋"，促進CO2分子活化（圖4、5）。有限元模擬也表明，有序大孔結構使得CO的擴散速率提升至微孔材料的3倍，且縮小CO與H2的擴散差距，抑制HER競爭（圖6）。本研究通過“電子結構-孔道結構" 雙維度調控，突破了CO2電還原中活性與選擇性的權衡難題，并揭示p區金屬單原子催化劑中雜原子摻雜的電子調控機制，具有重要科學價值。

圖2. MW-BiN₃-POMC催化劑表征

圖3. 電催化CO₂還原性能測試

圖4. MW-BiN₃-POMC電催化機理研究 (Ⅰ)

圖5. MW-BiN₃-POMC電催化機理研究 (Ⅱ)

圖6. MW-BiN₃-POMC氣體擴散模擬

文章DOI : https://doi.org/10.1002/anie.202421149，原文鏈接：Selective Electroreduction of CO2 to CO over Ultrawide Potential Window via Implanting Active Site with Long-Range P Regulation on Periodic Pores | Angewandte Chemie International Edition