文献信息
文献名称：
Molecular Engineering of Poly(Ionic Liquid) for Direct and
Continuous Production of Pure Formic Acid from Flue Gas
发表期刊：Advanced Materials
研究背景
CO₂的电化学还原是一种将CO₂转化为高附加值化学品（如甲酸、一氧化碳等）的绿色技术。然而，传统的CO₂还原过程通常需要高浓度的CO₂作为原料，这不仅增加了成本，还限制了其大规模应用。此外，传统工艺中还需要额外的CO₂捕获和产品分离步骤，进一步提高了能耗和成本。
研究亮点
新型催化剂的开发
研究团队开发了一种基于聚离子液体（PIL）和金属铋（Bi）的复合催化剂（Bi-PIL）。这种催化剂在低浓度CO₂（如工业烟气中常见的15% v/v CO₂）条件下，展现出超过90%的甲酸法拉第效率（FE），并且在较宽的电位范围内保持高效。
PIL涂层的多重作用
PIL涂层不仅能够富集CO₂，还能降低CO₂还原反应的活化能。此外，PIL的疏水性设计有效解决了传统离子液体在电催化过程中易出现的“淹水”问题，显著提高了催化剂的稳定性和长期运行性能。
固态电解质电解槽的应用
研究团队进一步将Bi-PIL催化剂应用于固态电解质电解槽（SSE），成功实现了从烟气中直接生产纯甲酸溶液。这一过程无需额外的CO₂捕获和产品分离步骤，大大简化了工艺流程。
图文信息
传统的解耦工艺（黑线）包括几个中间步骤（CO2捕获和产物分离）和一个集成工艺（蓝线），其中烟道气作为原料和固态电解质电池生产纯甲酸溶液
.杂化材料的合成与形貌。a）合成Bi-PIL杂合体的示意图。b）Bi NP，c）Bi-PIL-（VImBu），d）Bi-PIL-（VIm-Ph），e）Bi-PIL-（VIm-Ph）-DVB的SEM图像。不同Bi-PIL的接触角插入图。TEM图像示出）Bi NP和g，h）Bi-PIL-（VIm-Ph）。i）显示Bi、Br、N元素的Bi-PIL-（VIm-Ph）的EDX作图图像。疤痕条：（b-e）中200 nm，（f，g）中100 nm，（h）中50 nm。
混合催化剂的表征。a）XRD，B）XPS，c）FT-IR。d）Bi NP、Bi-PIL-（VIm-Bu）、Bi-PIL-（VIm-Ph）和Bi-PIL（VIm-Ph）-DVB的Zeta电位。e）Bi NP、Bi-PIL-（VIm-Bu）、Bi-PIL-（VIm-Ph）和Bi-PIL-（VIm-Ph）-DVB在298 K下的CO2吸收。f）298 K下的CO2和N2吸附等温线Bi-PIL-（VIm-Ph-DVB）。
混合催化剂的CO2还原性能。a）在不同电位下，以纯CO2为原料，在流动池中Bi-PIL的FEHCOOH和B）jHCOOH。在烟道气条件下Bi-PIL的c）FeHCOOH和d）jHCOOH。e）Bi-PIL-（VIm-Ph）-DVB在中性和碱性条件下在纯CO2和烟道气下的LSV。f）在中性和碱性条件下，在不同CO2浓度下，在−1.0 V相对于RHE下，Bi-PIL-（VIm-Ph）-DVB的FEHCOOH和jHCOOH。g）在纯CO2和烟道气条件下，Bi-PIL-（VIm-Ph）-DVB在−1.0 V下相对于RHE的稳定性。h）Ag和Ag-PIL-（VIm-Ph）-DVB在不同CO2浓度下的FECO和jCO，-1.0 V与RHE。
理论上的预测。a）PIL吸附CO2的电子密度差图。B）PIL与Bi表面单层水的电荷密度差。黄色和蓝色轮廓线分别表示电子密度的累积和降低。c）Bi片和Bi分子的CO2* 氢化为CO2的吸附能和活化能垒。虚线表示氢键网络。红色：O;灰色：C;蓝色：N;白色：H;粉红色：Bi。
使用固态电解质电解器的CO2还原。a）SSE电解槽示意图。B）烟道气条件下不同电流密度下Bi-PIL-（VIm-Ph）-DVB的FE。c）不同电流密度下的槽电压和产酸浓度。100 mA cm−2时的稳定性。e）所产生的纯甲酸的NMR光谱。f）解耦和集成工艺中每吨甲酸的成本贡献者。
结论
研制了一种Bi-PIL复合催化剂，用于电化学CO2 RR烟气制甲酸。PIL涂层改善了CO2吸附并降低了 *CO2氢化的活化势垒。此外，Bi-PIL涂层还能有效地富集Bi表面附近的CO2浓度。这些集体效应导致在烟道气条件下对HCOOH的高法拉第效率（在流动池中超过90%）。通过优化PIL结构可以进一步提高性能。此外，我们还以烟道气为原料，在固态电解槽中获得了纯净的甲酸溶液。与分离工艺相比，该集成工艺显示出显著降低的成本。该研究为设计高效脱除CO2的催化剂提供了一种新的思路。
