酸性条件下での高耐久CO₂電解還元を実現(Researchers Achieve Durable Acidic CO2 Electroreduction to Formic Acid Through Metal-phase Protection Strategy)

2025-11-18 中国科学院(CAS)

中国科学院 大連化学物理研究所(DICP)の研究チームは、CO₂ を酸性条件下で電気化学的に還元して高効率かつ長時間安定してギ酸(formic acid)を生成できる新戦略「金属相保護(metal-phase protection)」を提案した。通常、CO₂電解は中性・アルカリ条件下で行われるが、炭酸化反応による炭素損失や、最終的にギ酸を得るための後処理が課題となる。酸性条件では炭酸化を抑え直接ギ酸を得られる一方、触媒の溶出・劣化が深刻で長期使用が困難だった。本研究では、Bi–Cu 二元酸化物からなる Bi₀․₃₁Cu₁ 触媒 をその場形成し、Bi₂O₃ 相と CuBi₂O₄ 相の相互作用によりBi₂O₃が圧縮歪みと格子収縮を受け、Bi–O 結合が強化されることを発見。これによりBiの溶出が抑制され、触媒耐久性が大幅に向上した。Bi₀․₃₁Cu₁ は 200〜650 mA/cm² で90%以上のファラデー効率(FE) を示し、pH2 の 0.5 M KCl 条件で 200 mA/cm²・500時間以上の連続ギ酸生産を実現した。酸性CO₂電解の課題を解決する有望な触媒設計指針として注目される。

<関連情報>

金属相保護によりBiの浸出を抑制し、耐久性のある酸性CO 2電気還元によるギ酸の生成を実現 Metal-Phase Protection Suppresses Bi Leaching for Durable Acidic CO2 Electroreduction to Formic Acid

Zijian Tan, Zhendong Luo, Zichao Wu, Dr. Xiaotong Li, Prof. Dr. Fang Lu, Prof. Dr. Xukai Zhou, Prof. Dr. Dunfeng Gao
Angewandte Chemie International Edition  Published: 10 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/anie.202517618

Graphical Abstract

A highly durable BiCu bimetallic catalyst for acidic CO2 electroreduction to formic acid is developed via a metal phase-protection strategy. The interphase interaction between CuBi2O4 and Bi2O3 results in compressive strain and lattice contraction in the Bi2O3 phase, effectively strengthening the Bi─O bonds. This structural modulation suppresses Bi leaching during electrochemical reconstruction and preserves more Bi2O2CO3 active phases, thereby improving the long-term durability (500 h), outperforming the common Bi2O3 catalyst.

酸性条件下での高耐久CO₂電解還元を実現(Researchers Achieve Durable Acidic CO2 Electroreduction to Formic Acid Through Metal-phase Protection Strategy)

Abstract

The electrocatalytic CO2 reduction reaction (CO2RR) in acidic electrolyte mitigates salt precipitation and carbon loss compared to that in alkaline and neutral electrolytes. However, the harsh acidic environments cause metal leaching and catalyst degradation, thereby impairing activity and long-term durability. Here we propose a metal-phase protection strategy that enables in situ formation of a BiCu catalyst (Bi0.31Cu1) with impressive durability for acidic CO2RR to formic acid (HCOOH). The compressive strain of the Bi2O3 phase in Bi0.31Cu1, induced by its interaction with the CuBi2O4 phase, enhances Bi─O bond strength and mitigates Bi leaching during in situ electrochemical reconstruction, thus delivering highly desired activity and durability. The Bi0.31Cu1 catalyst achieves a HCOOH Faradaic efficiency (FE) of above 90% in a wide current density range from 200 to 650 mA cm−2. In a 0.5 M KCl electrolyte with pH 2, the Bi0.31Cu1 catalyst can continuously produce HCOOH with a FE of around 90% at 200 mA cm−2 for 500 h. This work showcases the great promise of the metal-phase protection strategy for minimizing metal leaching and improving the long-term durability of acidic CO2 electrolysis.

 

0505化学装置及び設備
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