JACS：调节中间体覆盖实现安培级的电催化CO2‑to‑C2+过程

阿德莱德大学乔世璋，Yao Zheng和南京理工大学段静静等人报道通过Cu催化剂上的杂原子工程实现可靠的安培级CO₂到C₂₊电解过程；在CO₂RR条件下，具有杂原子（N、P、S、O）的Cu基化合物被电化学还原为杂原子衍生的Cu，并伴随显著的结构重建；N调控的Cu(N-Cu)催化剂表现出最佳的CO₂转化为C₂₊的生产率，在-1100 mA cm^-2下的法拉第效率为73.7%，在-900 mA cm^-2下的能量效率为37.2%；更重要的是，它在-1.15V vs RHE时实现-909 mA cm^-2的C₂₊部分电流密度。

由于*CO被认为是C-C偶联到C₂₊产物的关键中间体，因此研究*CO吸附能描述符使我们能够研究CO₂RR选择性的来源。

DFT计算用于研究杂原子如何影响Cu表面上的*CO吸附强度。在X-Cu和Cu(100)表面上探索五个不同的吸附位点用于*CO吸附。对于杂原子上的中空位点（位点1），与纯Cu相比，所有杂原子调控的Cu催化剂都表现出降低的E_ad*CO，表明在引入杂原子后促进*CO吸附。特别是，N-Cu表现出最低的E_ad*CO(-2.02eV)，因此具有最强的*CO吸附。然而，对于杂原子周围的其他吸附位点（位点2-5），发现在Cu、P-Cu、S-Cu和O-Cu上E_ad*CO逐渐增加，而只有N-Cu表现出相比Cu降低的E_ad*CO。结果表明在所有五个位点中，N-Cu(100)表面上最有利E_ad*CO，表明*CO吸附显著增强。

在所有杂原子优化的Cu中，N-Cu具有最低的氢吸附自由能(ΔG_H*)(-0.788eV)确认抑制的HER过程。相比之下，P-Cu(-0.028eV)和S-Cu(-0.215eV)上的ΔG_H*值更接近于零，导致竞争性的H₂产生。与E_ad*CO在O-Cu和Cu上的桥和顶部位置相比，N-Cu在两个位置上都表现出最好的*CO覆盖率。进一步，与*H吸附相比，*CO在N-Cu上的吸附增强，*CO的强吸附将确保其表面有足够的*CO覆盖。因此，由于*CO占据催化活性位点，HER过程被抑制，增强C-C偶联和CO₂-to-C₂₊的产生。

Min Zheng, Pengtang Wang, Xing Zhi et al. Electrocatalytic CO2‑to‑C2+ with Ampere-Level Current on Heteroatom-Engineered Copper via Tuning *CO Intermediate Coverage. J. Am. Chem. Soc. 2022.

https://doi.org/10.1021/jacs.2c06820

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JACS：调节中间体覆盖实现安培级的电催化CO2‑to‑C2+过程

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