Restructuring Metal–Organic Frameworks to Nanoscale Bismuth Electrocatalysts for Highly Active and Selective CO2 Reduction to Formate

材料科学 格式化 金属有机骨架 选择性 催化作用 化学工程 纳米颗粒 金属 纳米技术 电化学 无机化学 冶金 物理化学 有机化学 电极 吸附 化学 工程类
作者
Paolo Lamagni,Matteo Miola,Jacopo Catalano,Mathias S. Hvid,Aref Mamakhel,Mogens Christensen,Monica R. Madsen,Henrik S. Jeppesen,Xin‐Ming Hu,Kim Daasbjerg,Troels Skrydstrup,Nina Lock
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:30 (16) 被引量:139
标识
DOI:10.1002/adfm.201910408
摘要

Abstract Recently, a large number of nanostructured metal‐containing materials have been developed for the electrochemical CO 2 reduction reaction (eCO 2 RR). However, it remains a challenge to achieve high activity and selectivity with respect to the metal load due to the limited concentration of surface metal atoms. Here, it is reported that the bismuth‐based metal–organic framework Bi(1,3,5‐tris(4‐carboxyphenyl)benzene), herein denoted Bi(btb), works as a precatalyst and undergoes a structural rearrangement at reducing potentials to form highly active and selective catalytic Bi‐based nanoparticles dispersed in a porous organic matrix. The structural change is investigated by electron microscopy, X‐ray diffraction, total scattering, and spectroscopic techniques. Due to the periodic arrangement of Bi cations in highly porous Bi(btb), the in situ formed Bi nanoparticles are well‐dispersed and hence highly exposed for surface catalytic reactions. As a result, high selectivity over a broad potential range in the eCO 2 RR toward formate production with a Faradaic efficiency up to 95(3)% is achieved. Moreover, a large current density with respect to the Bi load, i.e., a mass activity, up to 261(13) A g −1 is achieved, thereby outperforming most other nanostructured Bi materials.
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