东南Angew.: 调制CuO/Cu2O上Cu(0)/Cu(I)界面，增强CO2电还原为C2

铜(Cu)是电催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)生成碳氢化合物和多碳氧合物的高效元素，其中具有可调界面特性和局部化学环境的Cu氧化物基催化剂得到了相当大的关注。但是，Cu氧化物基催化剂在CO₂RR下通常发生结构演化和活性位点降解；同时，催化剂上缓慢的动力学导致析氢反应(HER)与C−C偶联反应竞争，使得CO₂RR活性、选择性和稳定性显著降低。

一些理论和实验研究已经证实，将Cu位点加入到Cu氧化基催化剂中，能够在Cu(0)/Cu(I)界面提高*CO的吸附和促进C−C偶联来提高C₂的产量。然而，Cu氧化物基在CO₂RR过程中面临的一个挑战是活性Cu(I)物种的还原，导致低选择性和快速失活。因此，在CO₂RR过程中创建和维持丰富的Cu(0)/Cu(I)界面对于实现高选择性CO₂RR具有重要意义。

近日，东南大学张一卫和余慧军等利用自下而上的策略合成了一系列具有丰富且紧密耦合Cu(0)/Cu(I)界面的球形结构CuO/Cu₂O。值得注意的是，通过调节水热时间能够控制催化剂界面形成，从而调节C₁和C₂产物的转化率。

实验结果表明，还原处理最短的CuO/Cu₂O光滑球对CH₄具有较高的选择性；将还原处理延长至4小时后得到的Cu_0.25@Cu₂O催化剂(具有中等的Cu(0)/Cu(I)界面)对CO₂RR具有良好的催化活性，C₂产物法拉第效率达90.5%，并且在连续运行12小时内表现出优异的稳定性。此外，随着催化剂老化时间延长至7小时，催化剂上的CO₂主要转化为甲酸。

研究人员利用原位SR-FTIR表征和密度泛函理论(DFT)计算揭示了CO₂在催化剂界面上转化为C₂产物的机理：适当比例的Cu(0)和Cu(I)位点耦合构建了一个理想的界面Cu电子结构，*CO中间体在优化的Cu(0)/Cu(I)界面上富集并形成*OCCO，该步骤具有较低的能垒，从而引导CO₂转化为C₂产物，提高了CO₂RR反应选择性和活性。

总的来说，该项工作通过调控Cu(0)/Cu(I)界面导向了CO₂的转化，这位合理设计和开发高性能的Cu基CO₂RR催化剂提供了一个有效的策略。

Bottom-up growth of convex sphere with adjustable Cu(0)/Cu(I) interfaces for effective C₂ production from CO₂ electroreduction. Angewandte Chemie International Edition, 2024. DOI: 10.1002/anie.202404123

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