近日，福州大学材料科学与工程学院、新能源材料与工程研究院庄泽文副教授在电催化氧还原领域取得重要研究进展，相关成果以“p–block–metal bismuth–based electrocatalysts featuring tunable selectivity for high–performance oxygen reduction reaction”为题发表于国际权威期刊《Joule》（2022年影响因子为 46.048，JCR分区Q1）。Joule是Cell杂志的姊妹期刊，涵盖了能源研究的各个方面，从基础实验室研究到能源转换和存储，再到全球范围内的有效分析，汇集了杰出而有见地的研究、分析和想法，以应对关键的全球挑战和对可持续能源的需求。

图1. p区金属Bi基高效氧还原电催化剂的新发现

电化学氧还原反应（ORR）是实现可持续能源未来的基石。分子氧可以通过4e^– 途径电化学还原为水，或通过2e^– 路径在水溶液中生成过氧化氢。4e^– ORR途径是新能源转化装置中的关键，用于燃料电池和金属空气电池中，可将化学能转化为清洁的电能。而2e^– ORR途径可实现将电能转化为高附加值的化学品，如H₂O₂的绿色合成，其可进一步用于丙烯环氧化等应用，实现人类空气到精细化学品的梦想。

然而，氧还原反应需要高活性/选择性和稳定性的催化剂才能实现应用。目前最广泛使用和最有效的ORR催化剂是贵金属Pt（用于4e^– 路径）及其合金（如PtHg用于2e^– 路径）。然而，Pt的稀缺性和昂贵的价格使其难以适用于新能源背景下大规模的电化学装置。因此，学术界和工业界在寻找可替代Pt的催化剂上进行了艰辛的探索，并开发了一系列过渡金属氮化物、氮掺杂碳、金属–氮–碳（Fe/Co等3d过渡金属）等非铂材料，在4e^–及2e^– ORR反应上取得了良好的进展。然而，这些催化剂仍然存在着反应活性不足、稳定性较差等问题，难以能源设备实际使用的要求，发展新型的高效ORR催化剂具有重大意义。

图2. Bi基纳米颗粒/单原子催化剂的ORR性能与理论计算结果

在本工作中，研究团队发现主族金属Bi可以高效催化ORR。研究团队通过精细控制金属–有机框架热解，可控合成了碳载Bi纳米颗粒催化剂，证明金属Bi可以实现高效（选择性> 96%）、稳定（持续10 h电解衰减2%）地电催化O₂还原制H₂O₂。理论计算表明p区金属Bi表面更强的O–O键和合适的OOH*吸附有利于O–O键的保存和H₂O₂的高效生成。更惊喜的是，将Bi金属单原子化后，BiSAs–NC材料逆转了Bi金属ORR 2e^–的选择性，具有更低的ΔG(*O)和很小的4e^– ORR过电势，表现出优异的4e^–活性（半波电位达0.875V vs RHE），可与目前最知名的Fe/Co–NC材料相媲美。

本工作首次报告了用于氧还原反应的非铂p区金属Bi催化剂的发现和分析，拓宽了ORR催化剂的资源库，为非贵金属催化剂的研究提供了一个新的方向。用p区金属Bi基催化剂替代铂族金属可能会降低成本并促进电化学H₂O₂合成和能源装置的应用，具有广阔的发展前景。

我院青年教师庄泽文副教授为该论文第一作者。庄泽文，副教授，博士毕业于清华大学化学系，福建省教育科研类引进生，主要从事无机纳米材料的可控合成及其催化性能研究。论文得到清华大学李亚栋院士、彭卿教授、陈晨教授与福州大学张久俊院士、颜蔚研究员的指导。该研究获得科技部国家重点研发专项、国家自然科学基金以及外国学者研究基金等项目的资助。

论文来源：Zewen Zhuang, Aijian Huang, Xin Tan, Kaian Sun, et al. p-Block-metal bismuth-based electrocatalysts featuring tunable selectivity for high-performance oxygen reduction reaction[J]. Joule, 2023.

DOI：https://doi.org/10.1016/j.joule.2023.04.005.