工业级电流密度下实现高效CO₂制甲酸

绿色能源的微观密码

在应对气候变化的行动中，二氧化碳（CO₂）电化学还原技术因其“变废为宝”的潜力备受关注。甲酸（HCOOH）作为一种高价值化学品，不仅是优质储氢载体（53克/升），更在化工、能源领域有广泛应用。铋（Bi）基催化剂因其环境友好性和高选择性成为研究热点，但传统铋基材料在工业级电流密度（>200 mA/cm²）下普遍面临效率骤降、副反应增多等瓶颈。究其原因，电化学还原过程中形成的空位缺陷对催化性能的影响机制尚未明确，这成为制约技术突破的关键难题。

空位迷雾待破解

在电化学还原过程中，铋基材料表面会自发形成原子空位，这些微观“空洞”可能通过改变电子分布或吸附中间产物来提升催化性能。然而，空位的类型（如单原子空位、多原子空位）、浓度及其动态演化过程难以精准捕捉——常规表征手段（如透射电镜）对亚纳米级缺陷的分辨力有限，而实验室模型与实际工业条件间的鸿沟更让研究雪上加霜。

空位“显微术”与精准设计

中国科学技术大学团队独辟蹊径，通过原位电化学重构技术，将二维铋氧卤化物纳米片转化为富含铋单原子空位的金属铋纳米片。研究中的两大核心技术突破尤为亮眼：

1. 正电子湮没寿命谱技术（PALS）：利用正电子对材料缺陷的灵敏响应，团队首ci定量揭示样品中铋单原子空位的存在。这种技术如同“微观探针”，通过测量正电子在材料中的存活时间（空位越大，寿命越长），可检测低至1014 cm⁻³的缺陷浓度，精度达原子级别。

2. 原位拉曼与红外联用：动态捕捉到关键中间体*OCHO在空位处的强吸附现象，结合理论计算，证实空位诱导的电子聚集可稳定中间体，将反应能垒降低0.29 eV，显著提升甲酸生成速率。

从原子到器件的全链条验证

· 性能飞跃：优化后的铋纳米片在200 mA/cm²工业电流密度下，甲酸法拉第效率达97.1%，连续运行250小时仍保持1M甲酸溶液的稳定输出，性能远超同类催化剂（图2e）。

· 机制解密：计算模拟显示，空位周围的电子密度提升40%，形成“电荷蓄水池”，有效激活CO₂分子并锁定反应路径，抑制析氢等副反应。

从实验室到碳中和

这项研究不仅为CO₂资源化提供了高性能催化剂设计范式，更推动了正电子谱学在材料缺陷分析中的工业应用。未来，该技术可扩展至电解水制氢、燃料电池电极优化等领域，助力绿色化工升级。

产研联动助理科学突破

研究中关键的空位表征得益于正电子湮没寿命谱技术。安徽核芯电子科技有限公司推出的DPLS-4000数字化正电子湮没寿命谱仪，时间分辨率≤190 ps，可精准检测材料中空位缺陷的类型与浓度，实现“一键测量”的智能化操作，为同类研究提供强大工具支撑。该设备已成功应用于半导体、新能源材料的缺陷分析，技术参数遥遥领xian。