pH‐Universal Electrocatalytic CO2 Reduction with Ampere‐Level Current Density on Doping‐Engineered Bismuth Sulfide

甲酸 格式化 催化作用 无机化学 化学 电化学 电催化剂 交换电流密度 硫化物 电流密度 材料科学 电极 物理化学 有机化学 塔菲尔方程 物理 量子力学
作者
Zinan Jiang,Shan Ren,Xi Cao,Qikui Fan,Rui Yu,Jian Yang,Junjie Mao
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (32)
标识
DOI:10.1002/anie.202408412
摘要

Abstract The practical application of the electrocatalytic CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) to form formic acid fuel is hindered by the limited activation of CO 2 molecules and the lack of universal feasibility across different pH levels. Herein, we report a doping‐engineered bismuth sulfide pre‐catalyst (BiS‐1) that S is partially retained after electrochemical reconstruction into metallic Bi for CO 2 RR to formate/formic acid with ultrahigh performance across a wide pH range. The best BiS‐1 maintains a Faraday efficiency (FE) of ~95 % at 2000 mA cm −2 in a flow cell under neutral and alkaline solutions. Furthermore, the BiS‐1 catalyst shows unprecedentedly high FE (~95 %) with current densities from 100 to 1300 mA cm −2 under acidic solutions. Notably, the current density can reach 700 mA cm −2 while maintaining a FE of above 90 % in a membrane electrode assembly electrolyzer and operate stably for 150 h at 200 mA cm −2 . In situ spectra and density functional theory calculations reveals that the S doping modulates the electronic structure of Bi and effectively promotes the formation of the HCOO* intermediate for formate/formic acid generation. This work develops the efficient and stable electrocatalysts for sustainable formate/formic acid production.
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