香港科技大學邵敏華團隊EcoMat：微波輔助策略實現CO2RR氧化物衍生銅納米片催化劑的簡易合成

一、【導讀】

快速的工業化和經濟增長引起了化石燃料的巨大消耗，并釋放了大量的二氧化碳（CO₂）進入大氣層，從而加劇了全球變暖和氣候變化。通過電化學方法將CO₂還原（CO₂RR）轉換為各種增值化學品，是碳捕獲與利用的最有前途手段之一。CO₂RR的產物種類繁多，與一氧化碳和甲酸等C₁產物相比，乙烯、乙醇和丙醇等C₂₊產物具有更高的能量密度和附加值。然而，由于CO₂RR的反應機理復雜，對單一產物的低選擇性仍然是瓶頸問題。作為唯一能夠產生C₂₊產物的銅基催化劑，調控其表面結構對優化調控關鍵中間體的催化反應途徑至關重要。在各類銅基納米催化劑中，盡管氧化物衍生銅（OD-Cu）在利用CO₂RR制備碳氫化合物中展示出優異性能，但目前報道的制備工藝如等離子體照射、空氣氧化、電解拋光等手段較為復雜且難以控制，急需一種高效制備OD-Cu納米催化劑的簡便方法。

二、【成果掠影】

在此，香港科技大學邵敏華教授和葛婧捷博士（共同通訊作者）等人開發了一種簡單的微波輔助方法來合成氧化物衍生的Cu納米片（OD-Cu NS），并揭示了Cu的氧化態能夠通過改變Cu前驅體量來控制。值得注意的是，納米級Cu結構的形成會影響OD-Cu NS的表面粗糙度。結果顯示，在中性KHCO₃溶液中，部分氧化的Cu表面對C₂₊產物表現出高達72%的法拉第效率（FE），其部分電流密度為55 mA cm^-2。更重要的是，由此得到的OD-Cu NS，通過強結合能促進了CO₂分子解離，以及通過增大的電化學表面積促進了C₂₊化合物制備，顯示出協同作用。本文也為設計高效的CO2RR OD-Cu催化劑提供了新的思路。

相關研究成果以“Facile design of oxide-derived Cu nanosheet electrocatalyst?for CO₂?reduction reaction”為題發表在EcoMat上。

三、【核心創新點】

1.本成功開發了一種由微波輻照方法制備氧化物衍生Cu NSs的策略，其中Cu前驅體促進了粗糙表面的形成；

2.由本文提出的催化劑實現C₂₊產物高達72%的法拉第效率，其部分電流密度為55 mA cm^-2。

四、【數據概覽】

圖1 材料的物理性質表征。

（A-D）CuO NS、OD-Cu NSs Cu-30和Cu-100的透射電鏡（TEM）圖像；

（E）CuO NS、Cu-30和Cu-100的XRD圖譜。

圖2 商業化Cu NP、CuO NS、Cu-30和Cu-100的Cu 2p_2/3和Cu LMM Auger區域的XPS光譜。

圖3 商業化Cu NP、CuO NS、Cu-30和Cu-100的電化學CO₂RR性能。

（A）Cu-30在CO₂-和Ar-飽和的0.1 M KHCO₃電解液中，電解1h后的LSV曲線；

（B）在1.1V的電位下整體法拉第效率（FE）；

（C）整體C₂₊產物的部分FE。

圖4 NS電解后的物理化學性質。

（A，B）在CO₂飽和0.1 M KHCO₃電解液中的雙層電容，以及商業化Cu NP、CuO NS、Cu-30和Cu-100在Ar飽和0.1 M KHCO₃電解液中的LSV曲線和得到的OH_ads峰；

（C）電解Cu-30?1h后的XPS光譜。

五、【成果啟示】

綜上所述，本文開發了一種簡便的微波輻照方法來制備氧化物衍生的Cu NSs，其中額外添加的Cu前驅體產生了粗糙的表面，其納米結構域沉積在原始Cu NSs上。同時，在Cu-30的XPS光譜上可以明顯地觀察到部分氧化的Cu⁺價態，且由于較大的表面積和Cu⁺的存在，Cu-30的FEC₂₊可提高到72%，C₂₊產物的部分電流密度可達55 mA cm^-2。因此，這種簡便的微波輔助制造方法將為高效設計氧化物衍生Cu催化劑，利用CO₂RR高效合成C₂₊產物提供了重要方向。

文獻鏈接：“Facile design of oxide-derived Cu nanosheet electrocatalyst?for CO₂?reduction reaction”（EcoMat，2023，10.1002/eom2.12334）

本文由材料人CYM編譯供稿。