化学所Nature子刊: 构建多孔通道，提高大电流下酸性CO2RR活性

以可再生电力为动力的电催化CO₂还原反应(CO₂RR)已经成为应对气候变化挑战和推动循环碳经济发展的一种有前途的策略。在各种CO₂RR产品中，多碳(C₂₊)化学品，如乙烯(C₂H₄)和乙醇(C₂H₅OH)，由于它们具有进入现有市场的潜力，已经引起了广泛的关注。目前，大多数研究工作集中在设计新型Cu基催化剂以提高碱性或中性电解质系统中C₂₊产物的生产活性，其中在催化剂表面形成的碱性环境有利于CO₂分子的活化和抑制竞争性析氢反应(HER)，促进C-C偶联到C₂₊产物。

然而，CO₂可以很容易地与局部/大量OH⁻物种反应生成(bi)碳酸盐(CO₃²⁻或HCO₃⁻)，其会穿过阴离子交换膜(AEM)到阳极，然后转化回CO₂，导致CO₂单程转化效率低(SPCE，<25%)。此外，碳酸盐的形成还会阻断气体扩散电极，增加电池电阻，这严重阻碍了CO₂电解的潜在工业应用。

近日，中国科学院化学研究所韩布兴和孙晓甫等通过两步法合成了具有壳内多孔通道结构的La掺杂Cu空心球催化剂(La-Cu HS)，该催化剂在强酸性电解质(pH≤1)条件下对C₂₊产物具有高选择性。实验结果表明，在−900 mA cm⁻²条件下，La-Cu HS催化剂的C₂₊产物法拉第效率(FE)为86.2%，部分电流密度为−775.8 mA cm⁻²，C₂₊产物的CO₂单程转化效率可达52.8%。并且，该催化剂在−1 A cm⁻²仍能保持81.3%的高C₂₊ FE。

此外，La-Cu HS在−900 mA cm⁻²下连续电解40小时后，FE_C2+保持在80%以上。稳定性试验后，La-Cu HS的形态和结构得到了很好的保持，证实其在酸性体系中将CO₂转化为C₂₊产物方面具有广阔的应用前景。

模拟和实验证实，La-Cu HS的孔道结构有效地富集了催化剂表面的K⁺，并且在催化剂表面附近和孔道内容易在电解质中形成一个高碱性的微环境，这可以抑制HER，促进C-C偶联过程。此外，原位实验和密度泛函理论(DFT)计算表明，La掺杂形成的La-O-Cu中心促进了*CO的产生和C-C耦合过程。因此，结合多孔通道结构和La掺杂效应，La-Cu HS催化剂在酸性电解质中表现出优异的CO₂-C₂₊性能。

综上，该项工作结合微环境调节与固有催化活性增强，为提高酸性体系中CO₂RR的性能提供了一种有效的策略，这将推动CO₂转化和利用的进一步创新和发展。

CO₂ electrolysis to multi-carbon products in strong acid at ampere-current levels on La-Cu spheres with channels. Nature Communications, 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-49308-8

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化学所Nature子刊: 构建多孔通道，提高大电流下酸性CO2RR活性

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