綠色能源的微觀密碼

在應對氣候變化的行動中，二氧化碳（CO?）電化學還原技術因其“變廢為寶”的潛力備受關注。甲酸（HCOOH）作為一種高價值化學品，不僅是優質儲氫載體（53克/升），更在化工、能源領域有廣泛應用。鉍（Bi）基催化劑因其環境友好性和高選擇性成為研究熱點，但傳統鉍基材料在工業級電流密度（>200 mA/cm2）下普遍面臨效率驟降、副反應增多等瓶頸。究其原因，電化學還原過程中形成的空位缺陷對催化性能的影響機制尚未明確，這成為制約技術突破的關鍵難題。

空位迷霧待破解

在電化學還原過程中，鉍基材料表面會自發形成原子空位，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）、濃度及其動態演化過程難以精準捕捉——常規表征手段（如透射電鏡）對亞納米級缺陷的分辨力有限，而實驗室模型與實際工業條件間的鴻溝更讓研究雪上加霜。

空位“顯微術”與精準設計

中國科學技術大學團隊獨辟蹊徑，通過原位電化學重構技術，將二維鉍氧鹵化物納米片轉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突破尤為亮眼：

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

2. 原位拉曼與紅外聯用：動態捕捉到關鍵中間體*OCHO在空位處的強吸附現象，結合理論計算，證實空位誘導的電子聚集可穩定中間體，將反應能壘降低0.29 eV，顯著提升甲酸生成速率。

從原子到器件的全鏈條驗證

· 性能飛躍：優化后的鉍納米片在200 mA/cm2工業電流密度下，甲酸法拉第效率達97.1%，連續運行250小時仍保持1M甲酸溶液的穩定輸出，性能遠超同類催化劑（圖2e）。

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

從實驗室到碳中和

這項研究不僅為CO?資源化提供了高性能催化劑設計范式，更推動了正電子譜學在材料缺陷分析中的工業應用。未來，該技術可擴展至電解水制氫、燃料電池電極優化等領域，助力綠色化工升級。

產研聯動助理科學突破

研究中關鍵的空位表征得益于正電子湮沒壽命譜技術。安徽核芯電子科技有限公司推出的DPLS-4000數字化正電子湮沒壽命譜儀，時間分辨率≤190 ps，可精準檢測材料中空位缺陷的類型與濃度，實現“一鍵測量”的智能化操作，為同類研究提供強大工具支撐。該設備已成功應用于半導體、新能源材料的缺陷分析，技術參數遙遙領xian。