唐智勇院士Adv. Mater.：有序多孔CuSiO3/CuO衍生界面實現高效CO2還原

一、【導讀】

通過電化學方法將CO₂還原為增值多碳化學品或燃料是緩解能源危機和實現碳中和的最有前途的策略之一。然而，由于碳-碳(C-C)偶聯催化劑上的活性位點有限，目前開發具有高轉化率的CO₂還原技術仍然具有挑戰性。

二、【成果掠影】

近日，中國科學院國家納米科學與技術中心唐智勇院士等人開發了一種新的策略來解決上述難題，作者在有序多孔CuO涂覆CuSiO₃（p-CuSiO₃/CuO）作為CO₂電化學還原反應（CO₂RR）的催化劑，有效促進CO₂的活化，降低關鍵中間體*OCCOH的形成能，從而促進CO₂還原效率。p-CuSiO3/CuO的CO₂電化學還原性能在?1.2 V條件下表現出77.8%的法拉第效率，在1 M KOH條件下為91.7%。研究成果以題為“Efficient CO₂?Electroreduction to Multicarbon Products at CuSiO₃/CuO Derived Interfaces in Ordered Pores”發表在知名期刊Advanced Materials上。

三、【核心創新點】

將有序多孔CuO涂覆CuSiO3上，開發出了高效的p-CuSiO₃/CuO銅基復合物作為CO₂電化學還原反應的催化劑，促進了CO₂的活化和*OCCOH的形成過程。

四、【數據概覽】

圖1?p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的形態特征 ? 2023 Wiley-VCH GmbH

(a,b) p-CuSiO₃/CuO的TEM和HR-TEM圖像；

(e,f) p-CuO的TEM和HR-TEM圖像；

(c,g) p-CuSiO₃/CuO、p-CuO的HAADFSEM圖像和相應元素映射；

(d,h)?p-CuSiO₃/CuO、p-CuO沿[220]?方向的AC-TEM圖像。

圖2?p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的結構表征?? 2023 Wiley-VCH GmbH

(a,b)?p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的Cu 2p 、O 1sXPS光譜；

(c) p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的Cu K邊緣的歸一化XANES光譜，包括標準樣品銅箔、Cu₂O和CuO；

(d)?p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的FT-EXAFS光譜；

(e)?CuO（110）上的電荷分布；

(f)?CuSiO₃（201）/CuO（110）的差分電荷密度。綠色和黃色區域分別表示電子的增益和損耗。顏色代碼原子表示Cu（藍色）、Si（橙色）和O（紅色）。

圖3 電催化CO₂RR性能?? 2023 Wiley-VCH GmbH

(a)在CO₂飽和的0.1M KHCO₃水性電解質中使用p-CuSiO₃/CuO的H型電解池中的CO₂RR產物分布；

(b)?在不同電位下使用p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的H型電解池中C₂₊產物的FE；

(c) 在1M KOH水性電解質中使用p-CuSiO₃/CuO的流通池中的CO₂RR產物分布；

(d,e)?在不同電流密度下使用p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的流通池中的C₂H₄、C₂₊產物的FE。誤差條表示三個獨立測量的標準偏差（SD）；

(f)?流通池中p-CuSiO₃/CuO在100 mA cm^?2下的穩定性。

圖4 p-CuSiO₃/CuO的原位光譜表征?? 2023 Wiley-VCH GmbH

(a) p-CuSiO₃/CuO在CO₂飽和1M KHCO₃中不同電位下的原位拉曼光譜；

(b)?0.1 M KHCO₃中，p-CuSiO₃/CuO在OCP下不含CO₂、OCP到-1.2 V含飽和CO₂條件下，相對于可逆氫電極的原位歸一化Cu K邊緣XANES光譜；

(c) （b）中放大的Cu K邊緣XANES光譜；

(d) p-CuSiO₃/CuO在與（b）相同條件下的原位FT-EXAFS光譜。

圖5?原位ATR-FTIR光譜和DFT計算 ? 2023 Wiley-VCH GmbH

(a) p-CuSiO₃/CuO在CO₂飽和1M KHCO₃中不同電位下的原位ATR-FTIR光譜；

(b,c)*COOH在CuSiO₃（201）、CuO（110）上的最佳吸附構型；

(d,e) *COOH、*OCCOH在催化劑上的形成能；

(f) ?形成C-C鍵的自由能圖。

五、【成果啟示】

本文開發的p-CuSiO₃/CuO的新型銅基復合材料成功降低了關鍵C₂中間體的吸附能，同時還穩定了Cu+活性位點，從而極大促進了CO₂活化和*OCCOH的形成，提升了CO₂的還原效率。這項工作為設計和制造高性能CO₂還原的銅基異質新材料提供了新思路。

原文詳情：https://doi.org/10.1002/adma.202305508