熊宇杰/刘敬祥/蔡卫卫Angew.：CO2电解浓缩甲酸驱动燃料电池！

研究内容

通过电化学CO 2 还原生产甲酸可能是甲酸经济中碳循环的关键环节，但其实际可行性在很大程度上受到产品数量和浓度的限制。晶格畸变缺陷可以在不干扰其化学组成的情况下对催化剂的结构不均匀性和表面电子性质产生关键影响，并可以为促进催化反应带来切实的好处。

中国科学技术大学熊宇杰、刘敬祥和中国地质大学(武汉)蔡卫卫 展示了在2 M的工业水平电流密度(即200   mA cm - 2 )下，使用可缩放的晶格畸变铋催化剂的膜电极组件上持续300小时。优化后的催化剂在1.16 A·cm -2 下对甲酸盐的法拉第效率为94.2%，产率达到21.7 mmol·cm -2 h -1 。所得甲酸可作为呼吸空气的甲酸燃料电池的直接燃料，其功率密度为55 mW cm -2 ，热效率高达20.1%。相关工作以“ Concentrated Formic Acid from CO 2 Electrolysis for Directly Driving Fuel Cell ”为题发表在国际著名期刊 Angewandte Chemie International Edition 上。

研究要点

要点1. 作者采用液相激光辐照(LIL)方法以可扩展的方式制备非晶BiO x 纳米颗粒(NP)，该纳米颗粒可以容易地电还原为RD-Bi。所得的RD-Bi可在固体电解质反应器中用作阴极催化剂，该反应器具有我们开发的湿热通风收集系统，使其能够连续生产浓度为2 M的大量FA溶液。

要点2. 原位漫反射红外傅立叶变换光谱(DRIFTS)测量和理论计算表明，晶格畸变的存在有利于*OCHO中间体在催化剂上的结合，并使ECO 2 RR中的FA具有优异的活性和选择性。作者对ECO 2 RR系统和传统甲酸甲酯水解系统进行了全面的技术经济分析(TEA)和生命周期评估(LCA)，不仅验证了技术的经济可行性，还验证了环保意识，将其定位为FA生产领域的领先解决方案。

要点3 . 优化后的催化剂在1.16 A·cm -2 下对甲酸盐的法拉第效率为94.2%，产率达到21.7 mmol·cm -2 h -1 。所得甲酸可作为呼吸空气的甲酸燃料电池的直接燃料，其功率密度为55 mW cm -2 ，热效率高达20.1%。

研究图文

图1.（a）RD-Bi的制备过程示意图。BiO x -LIL的（b）TEM和（c）HRTEM。（c）插图：FFT模式。（d）体相Bi、RD-Bi和LD-Bi的XRD。RD-Bi的（e）TEM和（f）HAADF-STEM。（g）RD-Bi的GPA处理的应变分布。压缩应变用从绿色到深蓝色表示，拉伸应变用从红色到亮黄色表示。

图2. RD-Bi、本体Bi和LD-Bi在CO 2 饱和的0.5 M KHCO 3 电解质、H型电池中的（a）LSV，（b）在不同施加电势下甲酸盐的FEs以及（c）甲酸盐的部分电流密度。（d）RD-Bi在CO 2 饱和的0.5 M KHCO 3 电解质、H型电池中，在-1 V vs RHE下进行100小时的长期ECO 2 RR测试。RD-Bi、体Bi和LD-Bi在流动池中的（e）LSV，（f）不同施加电势下甲酸盐的FEs，（g）甲酸盐的部分电流密度以及（h）不同电流密度下的甲酸盐产率。

图3.（a）ECO 2 RR在MEA中与SSE一起生产高浓度纯HCOOH溶液的示意图。在具有SSE的MEA中，RD-Bi催化剂在不同电池电流密度下的（b）LSV和H（c）COOH的FE以及相应的HCOOH部分电流密度。（d）RD-Bi催化剂上在具有SSE的MEA中长期稳定性测试和在200 mA cm -2 下CO 2 还原为FA溶液的相应FE。（e）ECO 2 RR法生产1吨FA的成本。（f）我们的ECO 2 RR和传统甲酸甲酯水解法在不同电价下生产FA的贡献率和静态回收时间的比较。（g）我们使用不同电源生产FA的ECO2RR和传统甲酸甲酯水解方法的全球变暖潜力。（h）传统甲酸甲酯水解和我们的水力发电生产FA系统的环境影响指标结果的比较。

图4.（a）呼吸式DFAFC的示意图和我们开发的ECO 2 RR系统生产的2 M甲酸溶液的照片。通过直接使用ECO 2 RR生产的FA作为燃料，DFAFC在50 mA cm -2 的电流密度下的（b）功率密度图和放电曲线以及（c）恒电流放电曲线。由吸气式DFAFC供电的（d）发光二极管和（e）小型汽车系统的照片。

文献详情

Concentrated Formic Acid from CO 2 Electrolysis for Directly Driving Fuel Cell

Chao Zhang, Xiaobin Hao, Jiatang Wang, Xiayu Ding, Yuan Zhong, Yawen Jiang, MingChung Wu, Ran Long, Wanbing Gong, Changhao Liang, Weiwei Cai,* Jingxiang Low,* Yujie Xiong*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202317628

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