Antimony-Modified Bismuth Catalysts for Selective CO2 Reduction to Formic Acid = 포름산 선택적인 전기화학적 이산화탄소 환원을 위한 안티모니 도입된 비스무스 촉매에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The electrochemical reduction of carbon dioxide (CO2) to formic acid via the CO2 reduction reaction (CO2RR) provides a sustainable approach for carbon utilization and energy conversion. In this study, antimony (Sb)-doped bismuth oxide (Bi2O3) nanosheets (NSs) were developed as efficient and selective electrocatalysts for CO2RR. Sb incorporation modified the electronic configuration of Bi atoms, generating electron-deficient sites that promote CO2 adsorption and stabilize the key intermediate *OCHO. In situ Raman spectroscopy revealed an earlier appearance and stronger *OCHO signal for Sb-doped Bi2O3 than for the undoped catalyst, confirming enhanced intermediate formation. The 10% Sb-doped Bi2O3 NSs exhibited the best performance, with a Faradaic efficiency (FEHCOO–) of 88.2% at −1.5 V (vs RHE) and a Partial current density (jHCOO–) of 80.1 mA·cm–2 at −1.7 V (vs RHE) in an H-type cell. When applied in a solid-state electrolyte (SSE) cell, the catalyst delivered a high partial current density (jHCOOH) of 279.8 mA·cm–2 and produced concentrated formic acid exceeding 10 wt % in a single pass. Moreover, the catalyst retained stable activity for over 24 h. This work highlights Sb doping as an effective means to enhance the activity, selectivity, and durability of Bi2O3-based electrocatalysts for CO2 reduction.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 전기화학적 이산화탄소 환원 반응(CO2RR)을 통해 이산화탄소(CO2)를 포름산으로 전환하는 과정이 탄소 활용 및 에너지 변환을 위한 지속 가능한 전략임을 강조하였다. Sb가 도핑 된 Bi2O3 나노 시트(NSs)는 CO2RR에서 효율적이고 선택적인 전기 촉매로 개발되었다. Sb 도핑은 Bi 원자의 전자 구조를 조절하여 전자 결핍 사이트를 형성함으로써 CO2 흡착을 촉진하고 핵심 중간체인 *OCHO 종을 안정화하였다. 실시간 라만 분석 결과, Sb 도핑 된 Bi2O3에서는 도핑 되지 않은 촉매보다 *OCHO 신호가 더 낮은 전위에서 나타나고 더 강하게 관찰되어 중간체 형성의 향상된 반응성을 입증하였다. 특히 10% Sb 도핑 된 Bi2O3 NSs는 H-cell에서 −1.5 V (vs. RHE)에서 88.2%의 높은 포름산 패러 데이 효율(FEHCOO–)을, −1.7 V (vs. RHE)에서 80.1 mA·cm−2의 부분 전류밀도(jHCOO–)를 달성하며 가장 우수한 성능을 보였다. 고체전해질(SSE) 셀 환경에서도 279.8 mA·cm⁻²의 높은 포름산 부분 전류밀도를 구현하였으며, 단일 패스에서 10 wt% 이상의 고농도 포름산을 생산하였다. 또한 촉매는 24시간 이상 안정적인 활성을 유지하였다. 본 연구는 Sb 도핑이 Bi2O3 기반 전기 촉매의 활성, 선택성, 내구성을 향상시키는 효과적인 전략임을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅱ
• List of Figures ⅲ
• Abstract ⅳ
• Ⅰ. Introduction 1
• 1.1. Research Background and Objectives 1
• Ⅱ. Experimental Section 4
• 2.1. Materials 4
• 2.2. Characterizations 4
• 2.3. Electrochemical Measurements 5
• 2.4. CO2RR Experiments 6
• Ⅲ. Results and Discussions 8
• 3.1. Synthesis of Sb-Doped Bi2O3 Nanosheet Catalysts 8
• 3.2. Characterization of Sb-Doped Bi2O3 Nanosheet Catalysts 10
• 3.2.1. Morphological and Structural Characterization 10
• 3.2.2. Physicochemical and Electrochemical Characterization 24
• 3.3. CO2RR Performance of H-cell 29
• 3.4. In-situ Raman Analysis 33
• 3.5. CO2RR Performance of solid-state electrolyte cell 36
• 3.6. Stability Test 39
• Ⅳ. Conclusion 44
• References 45
• Abstract (in Korean) 56