戈磊教授AFM：镧铜纳米球中的不对称吸附位点与铜空位调控促进CO2电还原性能并实现超高甲烷选择性

第一作者：代志鑫

通讯作者：戈磊，刘志锋

单位：中国石油大学（北京），天津城建大学

电化学二氧化碳还原制甲烷技术已得到广泛研究。作为还原程度最高的C1产物，甲烷生成涉及动力学迟滞的八电子转移路径，导致反应选择性较差。本研究开发了一种碳载铜空位镧铜纳米球催化剂（La0.05Cuv1@C），可实现高效的CO₂-甲烷转化。实验结果表明，该材料在-1.6 V（vs. RHE）电位下可获得73.3%的甲烷法拉第效率（FE_CH4），性能显著优于对照组。原子级分散的镧通过电子转移形成不对称吸附位点，强化CO₂吸附与活化；铜空位则优化中间体吸附强度，抑制C-C偶联并促进加氢路径。镧位点还能加速水解离，为后续甲烷形成提供质子源。通过缺陷工程与杂原子掺杂的协同调控，本研究为开发甲烷活化体系中的高选择性铜基催化剂建立了新范式。

近日，来自中国石油大学（北京）的戈磊教授与天津城建大学的刘志锋教授合作，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Asymmetric Adsorption Site and Cu Vacancy Regulation in La-Cu Nanospheres to Promote CO₂ Electroreduction Performance with Ultrahigh CH4 Selectivity”的文章。该文章通过在Cu中引入La，构建了不对称吸附位点促进了CO₂吸附能力，从而提高了电催化CO₂还原为甲烷的催化活性。

La0.05Cuv1@C在-1.6V的电势下对甲烷的法拉第效率为73.3%，并且在35h的长时间稳定性测试中保持着超过60%的甲烷法拉第效率，表现出优秀的稳定性。

DFT理论计算表明La杂原子的引入构建了不对称吸附位点。这种不对称位点效应能够稳定CO₂吸附并促进其活化以进行后续反应。同时，La的掺杂在抑制铜表面析氢反应(HER)的同时，可通过促进水解离为甲烷生成提供质子源。此外，铜空位的存在通过降低ΔGCOOH能垒促进了加氢反应进程。空位修饰的活性位点还展现出对CO中间体的最佳吸附能，使其能够高效加氢最终生成甲烷。

Asymmetric Adsorption Site and Cu Vacancy Regulation in La-Cu Nanospheres to Promote CO₂ Electroreduction Performance with Ultrahigh CH4 Selectivity

戈磊：中国石油大学(北京)新能源与材料学院，教授，博士生导师，北京市科技新星，山东省黄河三角洲产业领军人才，校青年拔尖人才，石大学者。从事新型光/电催化功能材料的研究工作，主持国家自然科学基金面上项目、北京市科技新星计划，企业横向项目等20余项课题的研究工作；在Energy & Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B Environ.、Chem. Eng. J.、 Small、 Nano Research.、 Chin. J. Catal.等期刊上发表论文200余篇，H指数67，论文引用18000余次，30篇论文入选ESI高被引论文，8篇论文入选ESI热点论文，担任《催化学报》、《物理化学学报》、《结构化学学报》、《无机材料学报》期刊青年编委，入选2024年度科睿唯安“全球高被引科学家”，获北京市自然科学二等奖1项，连续5年入选美国斯坦福大学全球前2%顶尖科学家“终身成就榜单”和“年度榜单”。

刘志锋：博士，教授。天津城建大学材料科学与工程学院院长，天津市建筑绿色功能材料重点实验室主任。首届天津市杰出青年基金获得者，天津市“131人才工程”第一层次人选，天津市创新人才推进计划中青年科技创新领军人才。天津市硅酸盐学会监事，天津市储能学会理事，中国硅酸盐学会测试技术分会理事，天津市普通高等学校对接产业链本科教学指导委员会（新材料类）委员，Advanced Powder Materials、天津城建大学学报等期刊编委。主持承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金等科研项目30余项；以第一作者或通讯作者发表论文260余篇，其中SCI检索240余篇，ESI高被引论文29篇，他引11000多次，h因子58；出版教材1部，学术专著2部；申请国家发明专利50余项；获天津市科学技术进步一等奖1项、二等奖2项、三等奖4项，天津市自然科学三等奖1项。入选全球前0.05%顶尖科学家“近5年”榜单（2024年）。

代志鑫，中国石油大学（北京）戈磊教授课题组博士研究生，研究方向为电催化二氧化碳还原和第一性原理催化计算。