最新Nature子刊：SERS探究脉冲CO2电还原机理！

第一作者：Antonia Herzog

通讯作者：Arno Bergmann, Beatriz Roldan Cuenya

通讯单位：马普所

论文速览

最近，脉冲CO₂电还原（CO₂RR）成为一种原位调节产物选择性（特别是对乙醇）的简便方法，无需重新设计催化系统。然而，深入的机理理解需要全面的operando时间分辨研究来确定电催化界面的动力学。作者通过使用亚秒时间分辨拉曼光谱（SERS）在脉冲CO₂RR过程中跟踪预还原Cu₂O纳米立方体（约 30 nm）的吸附物和催化剂状态，羟基（OH_ad）和一氧化碳物种（CO_ad）对提高乙醇选择性的关键作用。

研究表明，通过调整脉冲长度条件，可以优化Cu基催化剂的表面吸附物种，特别是OH和CO的共吸附，从而显著影响CO的吸附动力学并提升乙醇的选择性。本研究不仅为理解电催化界面的动态变化提供了深入的见解，而且为改进催化剂设计和操作条件提供了新思路。

图文导读

图1：Cu₂O纳米立方体（NCs）在不同还原条件下的扫描电子显微镜（SEM）图谱，以及在脉冲CO₂RR过程中的SERS信号强度的时间演化。

图2：SERS光谱和特征带的脉冲长度相关演化

图3：脉冲长度相关的选择性和吸附物图谱

图4：选择性变化与ΔOH_ad/CO_cov比值的相关性

图5：脉冲CO₂RR过程中吸附物种和选择性演化的示意图

总结展望

本研究通过operando拉曼光谱技术，实时跟踪了在脉冲CO₂RR过程中Cu基催化剂表面的吸附物种和催化剂状态的变化。研究发现，通过控制脉冲长度，可以调节Cu表面OH和CO的共吸附，进而影响CO的吸附动力学和乙醇的选择性。

研究结果强调了在CO₂RR条件下，表面羟基（OH_ad）位点对乙醇形成的重要性，并为未来在酸性条件下通过增加表面碱性位点来提高乙醇产率提供了可能的新策略。此外，本研究还证实了在脉冲式反应条件下，C-C耦合受到显著阻碍，导致吸附的CO还原为甲烷。这些发现为设计新型催化剂和优化操作条件以提高CO₂电化学还原反应的选择性提供了重要的指导。

文献信息

标题：Operando Raman spectroscopy uncovers hydroxide and CO species enhance ethanol selectivity during pulsed CO₂ electroreduction

期刊：Nature Communications

DOI：10.1038/s41467-024-48052-3