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文章导读
随着全球二氧化碳排放持续增加，开发高效的碳捕集与利用（CCU）技术已成为应对气候变化的重要方向。电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）能与可再生能源体系相耦合，并实现目标产物的可控生成，被认为是实现碳资源化利用的重要途径。甲酸盐是CO2RR的重要产物之一，作为工业原料具有广阔的市场前景。通过电化学还原CO2生成甲酸盐具有与可再生能源体系兼容、成本较低、操作可行和环境友好等优势。
在众多催化材料中，铋基催化剂因具有高甲酸选择性、低过电位、成本低及环境友好等优势，近年来受到广泛关注。加拿大圭尔夫大学Aicheng Chen和Jacek Lipkowski教授团队系统综述了铋基催化剂在电化学CO2还原中的最新研究进展，重点总结了不同纳米结构铋催化剂及双金属铋基催化剂的合成策略与性能调控方法。同时，介绍了近年来文献报道的铋基催化剂生成其他产物的可能性，并重点阐述了利用原位傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱等先进表征技术揭示反应关键中间体和产物形成过程的研究进展。最后，作者还讨论了进一步开发具有高活性、高选择性和高稳定性的铋基催化剂以实现实际应用的策略，并提出了满足未来规模化应用需求所需解决的关键科学问题。
图文摘要
上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Unveiling the potential of bismuth-based catalysts for electrochemical CO2 reduction。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！
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https://doi.org/10.1039/D4IM00126E
本文亮点
★ 系统总结了多种铋基催化剂在CO2RR中的最新研究进展；
★ 阐述了原位光谱技术在揭示CO2RR关键中间体与反应机理中的应用；
★ 讨论了未来实现CO2RR规模化生产甲酸盐所需解决的科学问题。
图文解读
目录
Table of Contents
1. Introduction
引言
2. Monometallic Bi-based catalysts
单金属铋基催化剂
2.1. Synthesis methods
合成方法
2.1.1. In situ electrochemical transformation
原位电化学转化
2.1.2. Metal–organic framework (MOF)
金属有机框架（MOF）
2.1.3. Other methods
其他方法
2.2. Strategies for improving performance
性能提升策略
3. Bimetallic Bi-based catalysts
双金属铋基催化剂
3.1. Formate generation
甲酸盐生成
3.2. Generation of other products
其他产物的生成
4. In situ spectroscopic studies
原位光谱研究
5. Industrial perspective
工业应用视角
6. Conclusions and perspectives
总结与展望
铋基催化剂因其优异的产物选择性和法拉第效率，未来有望成为CO₂RR制备甲酸盐的重要工业电催化剂。除甲酸盐外，通过调控中间体的加氢能力、增强CO2和CO的吸附能力以及降低C–C偶联能垒，CuBi催化剂还能够生成丙烷、甲烷和乙烯等产物。借助流动电解池和膜电极组件电解装置，并结合气体扩散电极（GDE），由于传质效率显著提高，目前已实现超−200 mA cm-1 的电流密度和接近100%的产物选择性。然而，实现安培级电流密度和长时间稳定运行仍面临挑战。未来研究仍需在以下方面持续努力，以缩小实验室研究与工业应用之间的差距。
首先，应进一步提升铋基催化剂在工业条件下的稳定性。其次，需要开发可规模化的催化剂合成技术以及成本可控的催化剂设计方案，以满足大规模应用需求。同时，有必要深入研究CO2RR的反应动力学并识别实际工况下的关键中间体，因此需要发展能够在高电流密度条件下运行的原位表征技术。此外，还应优化电解池结构与运行条件，以实现高浓度甲酸的直接生成，从而降低产物分离与纯化成本。将铋基催化剂与太阳能、风能等可再生能源系统相结合也是重要的发展方向。电化学CO2还原与可再生能源的耦合将有助于减少对化石能源的依赖，并推动更加绿色的能源体系建设。
最后，还需从经济角度和环境影响两方面对CO2RR进行评估。构建能够开展真实工况测试的中试体系，对于评估催化剂的稳定性、运行成本以及CO2还原过程的效率至关重要。该体系将为掌握系统运行成本、整体性能及长期耐久性提供宝贵数据，为判断其经济可行性与规模化潜力提供关键参考。
编辑/排版：ICM编辑部
文章信息
N. Sabouhanian, J. Lipkowski and A. Chen, Unveiling the potential of bismuth-based catalysts for electrochemical CO2 reduction, Ind. Chem. Mater., 2025, 3, 131-150.
作者简介
通讯作者
Aicheng Chen，加拿大University of Guelph教授、电化学技术中心主任，电化学与纳米科学一级研究讲席教授，英国皇家化学会会士、国际电化学学会会士。其研究方向涵盖电化学、光电化学、绿色化学与纳米科学等领域，已发表论文300余篇，h指数：71。曾获加拿大化学学会Ricardo Aroca 奖、加拿大化学学会W.A.E. McBryde 奖/ Fred Beamish奖/Keith Laidler奖、日本学术振兴会邀请研究员奖学金、加拿大安大略省省长科研卓越奖等荣誉。
通讯作者
Jacek Lipkowski，加拿大University of Guelph教授，主要研究方向包括单晶电化学、表面光谱学等，致力于研究金属溶液界面的结构和组成，以及分子吸附、电子和离子转移过程，已发表论文200余篇，H指数：62。
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期刊简介
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