三院院士！Alexis T. Bell团队最新Nature Energy

Alexis T. Bell教授，现任加州大学伯克利分校化工系Dow Professor of Sustainable Chemistry，劳伦斯伯克利国家实验室Faculty Senior Scientist，美国科学院院士、美国工程院院士、美国艺术与科学院院士、美国科学进步会会士、日本促进科学学会会士、俄罗斯科学院西伯利亚分院荣誉教授、中国科学院爱因斯坦讲席教授。历任加州大学伯克利分校化工系主任、化学学院院长等职务。此外，Alexis T. Bell教授是国际公认的在催化反应机制与动力学、原子和分子水平的催化活性中心表征研究的领导者，在2008年被提名为“百名现代化学工程师”（One Hundred Engineers of the Modern Era）之一。Bell课题组的主要研究方向为催化剂活性中心组份和结构的识别，并对如何限制整体催化剂活性和选择性的基本过程加以解释。这些研究涉及到许多实验和理论方法的应用，其中大部分是由Bell及其合作者提出的。他的主要研究重心为甲醇和乙醇氧化羰基化、烷烃氧化脱氢和烯烃的环氧化反应等。他还在生物质转化燃料和电化学CO₂固定领域开拓了新的方向。

利用可再生能源产生电能对H₂O和CO₂进行电化学转化，为将CO₂转化为增值化学品和燃料提供了一条可持续的途径。铜（Cu）基催化剂是一种最有希望的CO₂还原催化剂（CO₂R）。研究发现，Cu的表面结构及其附近的微环境都会影响Cu生成C₂₊产物的活性和选择性。通过重构光滑表面或还原氧化铜或氮化铜产生的粗糙Cu表面有低配位位点，这些位点对形成C₂₊产物具有特别的活性和选择性。虽然在高电解液pH下可进一步提高C₂₊产物的选择性，但由于CO₂与OH^–反应生成HCO₃^–和CO₃^2-，导致Cu表面附近的CO₂浓度大幅降低。

此外，离子导电聚合物（离聚物）可以改变CO₂、H₂O、OH^–和H⁺的局部浓度，但离聚物对CO₂R的影响知之甚少，并且对于离聚物膜如何影响CO₂R的解释也不一致。因此，有必要系统地了解离聚物层是如何通过改变背景电荷、反离子和离子交换容量等性质来影响CO₂R，从而调整Cu催化剂附近的化学微环境，以实现最佳C₂₊产物形成。

近日，美国加州大学伯克利分校Alexis T. Bell院士（通讯作者）等人报道了离聚物层可用于为Cu基催化剂上的选择性生成C₂₊产物创造有利的微环境。为了充分阐明离聚物对局部Cu催化剂微环境的影响，作者使用双层阳离子和阴离子导电离聚物涂层系统地探索和优化了这种微环境，分别通过Donnan排斥控制局部pH值和通过离聚物特性控制CO₂/H₂O比值。当这种量身定制的微环境与脉冲电解相结合时，可以进一步提高局部CO₂/H₂O比值和pH值，从而选择性地产生C₂₊产物。

实验测定发现，利用该策略使得法拉第效率（FE）达到了90%，而H₂的FE仅为4%，比裸Cu上的静电电解增加了250%。这些结果强调了调整催化剂微环境作为提高电化学合成整体性能的手段的重要性。

离聚物涂层Cu对CO₂R的影响

Tailored catalyst microenvironments for CO₂ electroreduction to multicarbon products on copper using bilayer ionomer coatings.Nature Energy, 2021, DOI: 10.1038/s41560-021-00920-8.