綠色能源的微觀密碼

在應(yīng)對氣候變化的行動(dòng)中，二氧化碳（CO?）電化學(xué)還原技術(shù)因其“變廢為寶”的潛力備受關(guān)注。甲酸（HCOOH）作為一種高價(jià)值化學(xué)品，不僅是優(yōu)質(zhì)儲氫載體（53克/升），更在化工、能源領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。鉍（Bi）基催化劑因其環(huán)境友好性和高選擇性成為研究熱點(diǎn)，但傳統(tǒng)鉍基材料在工業(yè)級電流密度（>200 mA/cm2）下普遍面臨效率驟降、副反應(yīng)增多等瓶頸。究其原因，電化學(xué)還原過程中形成的空位缺陷對催化性能的影響機(jī)制尚未明確，這成為制約技術(shù)突破的關(guān)鍵難題。

空位迷霧待破解

在電化學(xué)還原過程中，鉍基材料表面會自發(fā)形成原子空位，這些微觀“空洞”可能通過改變電子分布或吸附中間產(chǎn)物來提升催化性能。然而，空位的類型（如單原子空位、多原子空位）、濃度及其動(dòng)態(tài)演化過程難以精準(zhǔn)捕捉——常規(guī)表征手段（如透射電鏡）對亞納米級缺陷的分辨力有限，而實(shí)驗(yàn)室模型與實(shí)際工業(yè)條件間的鴻溝更讓研究雪上加霜。

空位“顯微術(shù)”與精準(zhǔn)設(shè)計(jì)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，通過原位電化學(xué)重構(gòu)技術(shù)，將二維鉍氧鹵化物納米片轉(zhuǎn)化為富含鉍單原子空位的金屬鉍納米片。研究中的兩大核心技術(shù)突破尤為亮眼：

1. 正電子湮沒壽命譜技術(shù)（PALS）：利用正電子對材料缺陷的靈敏響應(yīng)，團(tuán)隊(duì)首ci定量揭示樣品中鉍單原子空位的存在。這種技術(shù)如同“微觀探針”，通過測量正電子在材料中的存活時(shí)間（空位越大，壽命越長），可檢測低至1014 cm?3的缺陷濃度，精度達(dá)原子級別。

2. 原位拉曼與紅外聯(lián)用：動(dòng)態(tài)捕捉到關(guān)鍵中間體*OCHO在空位處的強(qiáng)吸附現(xiàn)象，結(jié)合理論計(jì)算，證實(shí)空位誘導(dǎo)的電子聚集可穩(wěn)定中間體，將反應(yīng)能壘降低0.29 eV，顯著提升甲酸生成速率。

從原子到器件的全鏈條驗(yàn)證

· 性能飛躍：優(yōu)化后的鉍納米片在200 mA/cm2工業(yè)電流密度下，甲酸法拉第效率達(dá)97.1%，連續(xù)運(yùn)行250小時(shí)仍保持1M甲酸溶液的穩(wěn)定輸出，性能遠(yuǎn)超同類催化劑（圖2e）。

· 機(jī)制解密：計(jì)算模擬顯示，空位周圍的電子密度提升40%，形成“電荷蓄水池”，有效激活CO?分子并鎖定反應(yīng)路徑，抑制析氫等副反應(yīng)。

從實(shí)驗(yàn)室到碳中和

這項(xiàng)研究不僅為CO?資源化提供了高性能催化劑設(shè)計(jì)范式，更推動(dòng)了正電子譜學(xué)在材料缺陷分析中的工業(yè)應(yīng)用。未來，該技術(shù)可擴(kuò)展至電解水制氫、燃料電池電極優(yōu)化等領(lǐng)域，助力綠色化工升級。

產(chǎn)研聯(lián)動(dòng)助理科學(xué)突破

研究中關(guān)鍵的空位表征得益于正電子湮沒壽命譜技術(shù)。安徽核芯電子科技有限公司推出的DPLS-4000數(shù)字化正電子湮沒壽命譜儀，時(shí)間分辨率≤190 ps，可精準(zhǔn)檢測材料中空位缺陷的類型與濃度，實(shí)現(xiàn)“一鍵測量”的智能化操作，為同類研究提供強(qiáng)大工具支撐。該設(shè)備已成功應(yīng)用于半導(dǎo)體、新能源材料的缺陷分析，技術(shù)參數(shù)遙遙領(lǐng)xian。