苏州大学李彦光教授团队：基于铋基催化剂电催化二氧化碳还原生产甲酸的材料优化与器件设计

近日，苏州大学李彦光教授团队的AMR述评文章 “Bismuth-Catalyzed Electrochemical Carbon Dioxide Reduction to Formic Acid: Material Innovation and Reactor Design”在线发表，该文章系统回顾了铋基催化剂在电催化二氧化碳还原制甲酸领域的早期发展历程，总结了材料设计与相关器件优化的前沿研究进展，并对该领域面临的挑战和未来发展前景进行了展望。

关键词：铋、电催化、二氧化碳还原、材料、器件

Moving forward, more targeted efforts should focus on inhibiting the HER on Bi-based electrocatalysts at high overpotentials, which could help to extend the working potential window while maintaining high selectivity, activity and stability. There is also an urgent need to develop more convenient, scalable and sustainable synthetic routes that are compatible with large-scale formic acid production.

From a device-level perspective, several critical parameters — including cell configuration, electrolyte composition, membrane selection, and operational conditions — must be carefully optimized to maximize performance. The ultimate goal is to produce highly pure and concentrated formic acid suitable for direct use.

A comprehensive evaluation of the entire system is also essential. Exploring alternative anodic reactions can significantly enhance the overall system efficiency. Moreover, advanced reactor designs must incorporate ion-selective membranes and robust separation mechanisms to handle diverse anodic reactions effectively. A system-wide approach that considers these elements can greatly enhance the energy efficiency and economic viability of eCO₂RR systems.

1 文章内容简介

电化学二氧化碳还原（eCO₂RR）技术利用电能驱动，将温室气体二氧化碳转化为高附加值化学品，能有效缓解温室效应与一系列环境问题，实现碳资源循环利用。在众多还原产物中，甲酸（或甲酸盐）因其经济和应用价值，受到广泛关注。相较于常见的甲酸选择型催化材料（铅、锡和铟），铋（Bi）基材料兼具安全无毒、成本低廉、储量丰富等优势，具有巨大应用潜力。Bi基催化剂能有效抑制析氢副反应，目标产物甲酸（或甲酸盐）选择性接近100%。本文综述了Bi基材料在甲酸生产领域的前沿进展，涵盖了本课题组和其他研究团队的研究成果，并探讨了该类材料的催化特性及器件优化策略。

近年来，研究者们开发了一系列性能优越的Bi基纳米材料应用于eCO₂RR生产甲酸。但由于金属Bi熔点较低且易被氧化，直接合成Bi基纳米材料具有较大的难度。众多研究团队通过合理设计预催化剂，精准调控了原位电还原后二维Bi纳米结构的形貌与尺寸，实现了该类材料催化活性的显著提升。相比之下，Bi三维结构的构建能够进一步增加电化学表面积和活性位点密度，促进材料表面的电荷转移，从而提升整体的催化性能。在上述形貌、结构调控基础上，将缺陷（例如空位等）引入Bi纳米材料，可以调节反应过程中关键反应中间体与催化剂的结合能力，进一步提高甲酸选择性与活性。

除了材料创新，反应器优化亦为大规模生产甲酸提供了关键支撑。为了克服传统H型电解池的传质受限问题，研究者们开发了气体扩散电极（GDE）应用于相关反应器，满足了工业生产对大电流密度（> 200 mA cm^-2）的需求。GDE被广泛应用于液相流动电解池和膜电极组件反应器中。其中，碱性液相流动电解池实现了甲酸盐的连续、大规模生产，但GDE水淹和碳酸盐沉积两大问题限制了该器件的运行寿命。膜电极组件反应器中阴极和隔膜零间隙的构型在一定程度缓解了上述问题，并降低了欧姆损耗。然而，产物的跨膜穿梭并在阳极氧化损耗是该器件的突出问题。为实现高浓度纯甲酸溶液的生产，基于固态电解质反应器的研究也取得了一定的进展，但该体系能耗以及运行成本仍存在较大的优化空间。

尽管Bi基催化剂在eCO₂RR领域展现出巨大潜力，但仍面临诸多挑战。未来研究应聚焦提升催化剂的长期稳定性，结合先进表征技术深入解析反应机制，并优化反应器设计，以实现甲酸的稳定、大规模生产。

2 AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

电化学二氧化碳还原制备甲酸/甲酸盐的早期研究主要集中于P区金属催化剂，包括铅、锡、铟和铋。其中，铅虽具备优异的甲酸选择性和催化活性，但因毒性较强且对环境污染严重，难以实际应用。锡基材料安全无毒、成本低廉，但选择性普遍较低（<85%），且易受析氢副反应影响，工作电位窗口较窄，限制了其应用。铟基材料的选择性可超过 90%，但成本较高（约为锡的10倍），阻碍了其规模化推广。相比之下，铋基材料具备成本低、安全无毒、储量丰富等优势，在较宽的电位窗口内保持高选择性（>90%），并能有效抑制析氢副反应，展现出巨大的应用潜力。然而，铋基材料及相关器件设计仍有优化空间。因此，本课题组近年来聚焦该领域，开展了相关研究。

3 AMR：请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会？

作者团队：

在材料设计层面，现有铋基材料的开发已相对成熟，实现了较高的甲酸选择性、催化活性与稳定性。在未来，器件设计层面仍存在诸多研究机会。现有反应器（如液相流动电解池、膜电极组件反应器、固态电解质反应器）在催化活性与长期稳定性之间难以兼顾。通过优化电解池构型、电解液成分、电极界面修饰、膜材料等关键参数，创新反应器设计，实现纯水条件下、低能耗纯甲酸的稳定生产，是将来可以重点关注的方向。

通讯作者简介

苏州大学

李彦光 教授

李彦光，2005年获得复旦大学学士学位，2010年获得美国俄亥俄州立大学博士学位，2010年至 2013年在美国斯坦福大学从事博士后研究，2013年9月入职苏州大学功能纳米与软物质研究院。到目前为止，共发表学术论文 190 余篇，论文总他引 54000 余次。主持基金委杰青、优青项目。2017-2024 年连续入选科睿唯安全球高被引学者榜单。课题组主页：http://www.ligroup.com.cn/

李彦光教授课题组合影

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Bismuth-Catalyzed Electrochemical Carbon Dioxide Reduction to Formic Acid: Material Innovation and Reactor Design

Yuqing Luo, Junmei Chen, Na Han, and Yanguang Li*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00386

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