​五单位联合Nature子刊：场效应耦合纳米颗粒界面，加速CuxO纳米晶上多电子还原

化石燃料的持续消耗和人类活动导致的碳和氮排放不断增加已经引起了全球对能源和环境危机的关注。开发可持续的策略来实现碳和氮循环对克服上述问题至关重要。由可再生能源驱动的电催化反应已经成为缓解这些问题的有希望的方法，同时生产有价值的化学品。例如，电化学CO₂还原(CO₂RR)成碳氢化合物和含氧化合物，以及电催化NO₃⁻还原反应(NITRR)生产氨。而这些电化学过程涉及复杂的多电子转移反应，在动力学和热力学方面都有限制。

对于CO₂RR，由于C-C偶联的缓慢热力学和动力学，C₂产物的选择性和反应速率较低；NITRR通常涉及9个质子和8个电子(NO₃⁻+9H⁺+8e⁻→NH₃+3H₂O)的复杂过程，也影响了氨的选择性和电流密度。因此，有必要进一步开发CO₂RR和NITRR的高效、经济的电催化剂，以促进CO₂RR和NITRR的实际应用。

近日，香港城市大学叶汝全、香港科技大学唐本忠、莱斯大学Boris I. Yakobson、新加坡科技研究局席识博、华东理工大学朱明辉等利用激光辅助制造技术合成了尖端角度可控、纳米颗粒丰富的Cu_xO双锥体，阐明了电场和界面的协同作用如何通过控制电子传输和离子浓度在双功能电化学CO₂RR和NITRR中发挥作用的机理。

以电化学CO₂RR为例，Cu_xO尖锐的针尖几何形状产生局域强电场，改善电子输运和离子浓度，从动力学角度调控反应微环境；同时，丰富的Cu⁺/Cu²⁺界面提供了大量的活性位点，降低了反应势垒，促进了*OC-COH的生成，从而在热力学上促进了还原反应的进行，两种效应的结合导致了优异的催化性能。更重要的是，场效应和纳米颗粒界面也有利于提升电化学NITRR活性。

性能测试结果显示，最优的L-Cu_xO-HC的C₂₊部分流密度为665.9 mA cm^-2，CO2RR的法拉第效率(FE)为81%；同时，该催化剂的NH₃产率为81.83 mg h^-1 mg^-1，NH₃部分流密度超过600 mA cm^-2，优于目前文献报道催化剂。此外，L-Cu_xO-HC作为一种双功能催化剂在绿色化学工业中具有潜在的应用价值，可以将废水和废气转化为有价值的产品。总的来说，该项工作结合有限元模拟和密度泛函理论(DFT)计算，为局部增强电场和界面活性位点提供了深入的理解，同时所提到的激光合成方法也将启发设计下一代多电子还原催化剂用于实现碳和氮循环。

Accelerating multielectron reduction at Cu_xO nanograins interfaces with controlled local electric field. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-43303-1