唐智勇院士Adv. Mater.：有序多孔CuSiO3/CuO衍生界面实现高效CO2还原

一、【导读】

通过电化学方法将CO₂还原为增值多碳化学品或燃料是缓解能源危机和实现碳中和的最有前途的策略之一。然而，由于碳-碳(C-C)偶联催化剂上的活性位点有限，目前开发具有高转化率的CO₂还原技术仍然具有挑战性。

二、【成果掠影】

近日，中国科学院国家纳米科学与技术中心唐智勇院士等人开发了一种新的策略来解决上述难题，作者在有序多孔CuO涂覆CuSiO₃（p-CuSiO₃/CuO）作为CO₂电化学还原反应（CO₂RR）的催化剂，有效促进CO₂的活化，降低关键中间体*OCCOH的形成能，从而促进CO₂还原效率。p-CuSiO3/CuO的CO₂电化学还原性能在−1.2 V条件下表现出77.8%的法拉第效率，在1 M KOH条件下为91.7%。研究成果以题为“Efficient CO₂Electroreduction to Multicarbon Products at CuSiO₃/CuO Derived Interfaces in Ordered Pores”发表在知名期刊Advanced Materials上。

三、【核心创新点】

将有序多孔CuO涂覆CuSiO3上，开发出了高效的p-CuSiO₃/CuO铜基复合物作为CO₂电化学还原反应的催化剂，促进了CO₂的活化和*OCCOH的形成过程。

四、【数据概览】

图1p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的形态特征© 2023 Wiley-VCH GmbH

(a,b) p-CuSiO₃/CuO的TEM和HR-TEM图像；

(e,f) p-CuO的TEM和HR-TEM图像；

(c,g) p-CuSiO₃/CuO、p-CuO的HAADFSEM图像和相应元素映射；

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

图2 p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的结构表征 © 2023 Wiley-VCH GmbH

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

(c) p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的Cu K边缘的归一化XANES光谱，包括标准样品铜箔、Cu₂O和CuO；

(d) p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的FT-EXAFS光谱；

(e) CuO（110）上的电荷分布；

(f) CuSiO₃（201）/CuO（110）的差分电荷密度。绿色和黄色区域分别表示电子的增益和损耗。颜色代码原子表示Cu（蓝色）、Si（橙色）和O（红色）。

图3电催化CO₂RR性能© 2023 Wiley-VCH GmbH

(a)在CO₂饱和的0.1M KHCO₃水性电解质中使用p-CuSiO₃/CuO的H型电解池中的CO₂RR产物分布；

(b) 在不同电位下使用p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的H型电解池中C₂₊产物的FE；

(c) 在1M KOH水性电解质中使用p-CuSiO₃/CuO的流通池中的CO₂RR产物分布；

(d,e) 在不同电流密度下使用p-CuSiO₃/CuO和p-CuO的流通池中的C₂H₄、C₂₊产物的FE。误差条表示三个独立测量的标准偏差（SD）；

(f) 流通池中p-CuSiO₃/CuO在100 mA cm⁻²下的稳定性。

图4p-CuSiO₃/CuO的原位光谱表征© 2023 Wiley-VCH GmbH

(a) p-CuSiO₃/CuO在CO₂饱和1M KHCO₃中不同电位下的原位拉曼光谱；

(b) 0.1 M KHCO₃中，p-CuSiO₃/CuO在OCP下不含CO₂、OCP到-1.2 V含饱和CO₂条件下，相对于可逆氢电极的原位归一化Cu K边缘XANES光谱；

(c) （b）中放大的Cu K边缘XANES光谱；

(d) p-CuSiO₃/CuO在与（b）相同条件下的原位FT-EXAFS光谱。

图5原位ATR-FTIR光谱和DFT计算© 2023 Wiley-VCH GmbH

(a) p-CuSiO₃/CuO在CO₂饱和1M KHCO₃中不同电位下的原位ATR-FTIR光谱；

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

(d,e) *COOH、*OCCOH在催化剂上的形成能；

(f) 形成C-C键的自由能图。

五、【成果启示】

本文开发的p-CuSiO₃/CuO的新型铜基复合材料成功降低了关键C₂中间体的吸附能，同时还稳定了Cu+活性位点，从而极大促进了CO₂活化和*OCCOH的形成，提升了CO₂的还原效率。这项工作为设计和制造高性能CO₂还原的铜基异质新材料提供了新思路。

原文详情：https://doi.org/10.1002/adma.202305508