论文标题：Combined effects of sea urchin-like structure and mixed Cu+/Cu0 states on promoting C2 formation in electrocatalytic CO2 reduction

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Mengqing Shan , Dongsheng Lu , Jiatong Dong , Shen Yan , Jinyu Han , Hua Wang

发表时间：15 Mar 2024

DOI：10.1007/s11705-024-2393-5

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背景及意义

CO₂电催化还原制高价值多碳(C₂₊)产物是实现碳中和的重要途径之一。本工作针对C-C键耦合反应慢及C₂选择性低的难题，研究Cu₂O基催化剂的表面结构和组成调控方法。通过氨水氧化-刻蚀Cu₂O制备了海胆状纳米球CuO/Cu₂O，进而电化学原位还原形成Cu⁺/Cu⁰活性位点，阐明结构和Cu价态对C₂产物（乙烯）选择性的影响，建立了一种构建纳米结构和控制Cu氧化态提高C₂产物选择性的方法。

内容及主要结论

以菱形十二面Cu₂O为模板，通过氨水氧化刻蚀和电化学还原制备出粒径约为500 nm的海胆状R-CuO/Cu₂O。探究形貌和Cu⁺/Cu⁰混合价态对电催化CO₂还原反应活性和C₂产物选择性的影响，主要结论如下：

（1）制备的粒径约为500 nm的R-CuO/Cu₂O催化剂具有海胆状结构和稳定的Cu⁺/Cu⁰组成，表现出显著提高电化学活性和C₂H₄选择性。在H-Cell 中0.1 M KHCO₃电解液，-1.4 V vs. RHE条件下，C₂产物法拉第效率和C₂/C₁比值分别达到49.5%和3.1，分别是R-Cu₂O的1.5倍和3.2倍。在流动池中1.0 M KHCO3电解液，电流密度 500 mA· cm^-2 时，C₂产物法拉第效率可达68.0%。

（2）研究表明R-CuO/Cu₂O催化剂上C₂产物选择性的提高归因于：海胆状结构提高了表面*CO吸附量，表面稳定的Cu⁺/Cu⁰混合价态增强了*CO吸附，加速C-C耦合反应速率，显著提高了C₂H₄选择性。

图1 不同外加电位下的产物分布：(a) R-Cu₂O，(b) R-CuO/Cu₂O；(c) R-Cu₂O和R-CuO/Cu₂O的C₂H₄和C₂产物分电流密度; (d) 不同外加电位下R-Cu₂O和R-CuO/Cu₂O的C₂/C₁比和C₂H₄/CH₄比; (f) -1.4 V vs. RHE时R-CuO/Cu₂O催化剂上7200 s的I-t曲线

亮点

本研究以从形貌调控和Cu价态出发，通过氨水氧化刻蚀Cu₂O，制备出具有更大活性表面积的海胆状CuO/Cu₂O，进一步通过电化学原位还原生成表面具有Cu⁺/Cu⁰混合价态的R-CuO/Cu₂O。在独特海胆结构与Cu混合价态的共同作用下提高了催化剂的活性和对C₂产物的选择性。

相关成果以“Combined effects of sea urchin-like structure and mixed Cu⁺/Cu⁰ states on promoting C₂ formation in electrocatalytic CO₂ reduction”为题，发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering上(DOI: 10.1007/s11705-024-2393-5)。

引用格式：Mengqing Shan, Dongsheng Lu, Jiatong Dong, Shen Yan, Jinyu Han, Hua Wang. Combined effects of sea urchin-like structure and mixed Cu⁺/Cu⁰ states on promoting C₂ formation in electrocatalytic CO₂ reduction. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2024, 18(3): 30.

作者及团队介绍

单梦晴（第一作者），天津大学2019级硕士研究生，主要方向为电催化CO₂还原。

王华（通讯作者），天津大学化工学院副研究员，博士生导师，主要从事二氧化碳电化学还原、光催化能源转化及计算催化领域。国家级一流本科课程、国家级精品资源共享课《化学工艺学》和留学生全英文专业课的主讲教师，曾获天津大学青年教师讲课大赛二等奖，教学团队2021年获评天津市优秀教学团队。曾获得天津大学优秀硕士学位论文、本科生毕业论文指导教师。获国家基金委访问学者资助，2016-2017在美国南伊利诺伊大学卡本戴尔分校交流访问。承担多项国家自然科学基金，省部级项目和企业合作项目。以第一作者或通讯作者在ACS Catal, Appl. Catal. B-Environ.等国际知名TOP期刊上发表40余篇论文。

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