华东理工大学李春忠教授团队借助多尺度的原位表征技术，系统揭示了co2电催化加氢形成甲酸过程中，催化剂的结构演变过程、真实活性相及其催化机理。
“可再生能源发电 co2电催化还原 合成化学品或燃料”是一条备受关注的绿色途径，这其中，设计高性能电催化剂是关键，也是难点。电催化剂设计的困难之处在于，在真实反应中，大多数催化剂都会在外加电场作用下经历结构的动态演变，真实的催化活性相与初始设计和制备的催化剂结构并不一致。而对于催化剂结构的这一演变过程，我们还没有清晰完整的认识。
针对这一挑战，华东理工大学李春忠教授团队通过多尺度的原位结构鉴定，发现在co2电还原条件下，制备的ceo2/biocl预催化剂逐渐演化为具有丰富ce3+物种的ceox/bi界面结构，后者作为真正的催化活性相，其在一个宽电位窗口下24小时内产甲酸的法拉第效率接近90%。
预催化剂ceo2/biocl原位再生为ceox/bi
作者利用环氧丙烷辅助水解方法制备了具有丰富界面的ceo2/biocl预催化剂，并通过多种方法进行多尺度原位表征，揭示了其在co2电还原过程中演变为ceox/bi界面结构的过程：
用原位xrd测试确定了晶体结构的演变：随着电位的增加，biocl相逐渐变成bi的金属相。
用原位拉曼光谱识别了动态几何结构的变化：随着外加电位的增加，biocl的拉曼峰演变为金属bi的峰，与此同时ceox/bi界面在整个电化学测试中持续存在。
用原位同步辐射x射线吸收谱测试，进一步获得了电子性质的信息：在co2电还原窗口下，bi l3-edge与bi金属一致，表明没有正价bi的存在；ce l3-edge xanes表明ce物种几乎完全呈现出ce3+。
这些原位表征结果都表明，在实际co2电还原条件下，制备的ceo2/biocl预催化剂结构再生为富含ce3+的ceox/bi界面结构。
原位拉曼光谱跟踪催化剂的结构演变
接下来，作者在h型电解池中探究了催化剂的co2电还原性能。结果显示，ceox/bi的电流密度和甲酸盐的法拉第效率均优于bi和ceo2，且在24小时的稳定性测试中，其催化活性和选择性几乎没有衰减。作者又利用d2o取代h2o来制备电解液，结果发现d2o的参与促进了甲酸盐的法拉第效率，通过产物计算分析，证实了co2和h2o共电解形成甲酸盐。
二氧化碳电催化加氢制甲酸的性能
这项工作系统揭示了真实服役条件下催化剂的结构演化和活性来源，为今后异相催化剂的催化机制研究和结构设计提供了新思路。