最新AFM——催化剂多级孔道设计构筑丰富气-固-液三相催化界面

传质过程的优化以及气-固-液三相催化界面的稳定构筑对于电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR）至关重要。本研究通过设计并构建具有分级多孔结构的CuS微管催化剂，构筑了丰富、稳定的气-固-液三相催化界面，可有效提升CO₂RR过程中的传质效率，为全面提升工况条件下二氧化碳电还原的效率提供了新思路。

在电催化CO₂RR中，由于CO₂在水溶液中的溶解度低，传质过程的优化以及稳定的气-固-液三相界面的构筑对于实现工业级电流密度下高选择性、高效率的催化反应至关重要，也成为了制约CO₂RR效率的瓶颈。传统构建三相界面的方法，如疏水性聚合物修饰等，存在界面不稳定等问题，严重限制其性能与实际应用。为解决这一问题，本研究从催化剂的结构设计出发，提出通过精确构筑“纳米片组装微米管”这一分级多孔结构来优化传质过程，并形成稳定且丰富的三相界面，从而提升CO₂RR的活性与选择性。

为应对CO₂RR中三相界面稳定性差与传质效率低的问题，本研究提出了一种创新结构设计策略：以二维CuS纳米片为构建单元，组装形成具有分级多孔结构的一维中空微米管，实现片与片之间介孔和管内大孔共存，从而显著促进CO₂和电解液在不同尺度孔中的渗透与扩散。对比实验表明，二维纳米片组成单元与一维中空管状宏观结构均对提升该新颖催化剂的CO₂RR性能产生重要作用。其中，纳米片组装的CuS微管在高电流密度下相比于纳米颗粒组装的CuS微管展现出更高的甲酸选择性和活性，在300 mA cm^-2的大电流密度下法拉第效率可达79%；第一性原理计算结果显示，二维CuS纳米片的基面，即（001）晶面，具有更低的CO₂RR反应能垒；进而，本研究通过超声处理破坏了上述CuS微管催化剂的管状形貌，来探究管状结构对于CO₂RR中传质过程的影响。对比CuS微管破碎前后的CO₂RR性能、阻抗分析及液体渗透模拟发现，中空管状结构能够促进电解液的毛细渗透现象，使得电解液可以渗入填充CuS微管的内部空间，从而优化传质过程，并在管壁处形成大量稳定的气-固-液三相界面，有效提升CO₂RR性能。

采用高效便捷的一步水热法合成了纳米片组装CuS微管材料，扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、BET测试等表征揭示了CuS微管由(001)晶面主导的六方相纳米片组装而成，并具有分级多孔结构。

CO₂RR测试结果显示，纳米片组装的CuS微管在工业级电流密度下展示出良好的甲酸盐选择性和稳定性。与纳米颗粒组装的CuS微管相比，纳米片组装微管在多个电流密度下的法拉第效率更高，说明了二维组装基元对于CO₂RR性能的提升作用。

理论计算结果表明CuS的(001)晶面在CO₂RR反应生成甲酸路径中具有较低的反应能垒，揭示了由暴露（001）晶面的纳米片组装而成的CuS微管相较于颗粒组装微管具有更高的本征活性。

通过超声处理将纳米片组装CuS微管的管状结构破坏，并对比破坏前后的CO₂RR性能。结果表明，超声处理破坏微管结构后，催化剂的性能（包括对甲酸的选择性和活性）均显著下降，证实了管状结构对提升催化性能的关键作用。

电化学阻抗模拟结果显示，完整的片组装微管相较于破碎后材料的扩散阻抗和扩散层厚度明显更小，表明片组装微管结构中传质过程得到了显著优化。关于液体渗透过程的有限元模拟显示，电解液可在毛细力作用下渗入CuS微管内，从而在富介孔管壁上形成大量稳定的气-液-固三相界面。

本研究通过构筑由CuS纳米片组装而成的分级多孔中空微管结构，有效提升了CO₂RR中的传质效率和产物选择性。该结构不仅因二维片状基元的存在而具备高本征活性，更凭借其独特的管状形貌与多级孔道协同效应，自然构建出丰富且稳定的气-固-液三相界面，从而在工业级电流密度下实现了甲酸盐的高选择性生成。这一策略为催化剂的结构设计与界面工程提供了新的思路。

葛一瑶，北京科技大学新金属材料全国重点实验室研究员、博士生导师，国家级青年人才计划入选者。长期致力于无机微/纳米材料的可控合成，通过合理微观结构设计来优化其服役性能，同时开展相关的调控机理及应用研究。至今已在Science、Nature、Nat. Mater.、Adv. Mater.、JACS等材料领域主流学术刊物上发表SCI论文80余篇，其中第一/通讯作者身份40余篇；申请14项中国专利和3项美国专利；以项目/课题负责人身份主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金重大集成项目等多个科研项目；担任中国体视学学会材料科学分会委员会委员、中国机械工程学会工程陶瓷专业委员会第六届理事会理事，担任国际期刊Academia Nano、eScience、Nano-Micro Letters、Carbon Energy、Advanced Powder Materials、Fundamental Research等多个国际主流期刊的编委/青年编委；入选美国斯坦福大学和爱思唯尔数据库联合发布的2024年度全球前2％顶尖科学家榜单、2024年度Journal of Materials Chemistry A: Emerging Investigators等。

黄志琦，北京理工大学化学与化工学院准聘教授，博士生导师。主要聚焦电催化二氧化碳还原、电解水等反应体系，围绕气-固-液三相界面微观、介观反应动力学开展研究。迄今为止在国际权威杂志发表SCI学术论文40余篇，其中以通讯/第一作者在Nat. Commun.（3篇）、J. Am. Chem. Soc.（2篇）、Adv. Mater.等期刊发表论文10余篇，总被引近5000次。主持国家自然科学基金和北京理工大学青年教师学术启动计划项目。

凌崇益，东南大学青年首席教授，博士生导师，国自然优秀青年基金获得者（2024）。主要从事新能源材料的多尺度模拟研究，侧重光/电化学能量转换过程的微观机理与构效关系。迄今以（共同）第一/通讯作者在Nature、J. Am. Chem. Soc. (12篇)、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem等期刊发表SCI论文40余篇。论文被引8400余次，一作论文单篇最高引用890余次，H指数41。连续四年入选斯坦福大学全球前2%科学家榜单（2021-2024）。

黄千里，中南大学粉末冶金研究院副教授，博士生导师。主要研究方向包括金属表面功能化、医用金属材料、纳米能源材料。迄今为止，以第一/通讯作者身份在Advanced Functional Materials、Advanced Energy Materials、Acta Biomaterialia等国际知名期刊发表SCI论文40余篇（引用3000余次，H因子35），授权国家发明专利10余项。主持国家自然科学基金、湖南省重点研发计划等多项科研项目。入选中国科协青年人才托举工程、湖南省优青、斯坦福大学全球前2%顶尖科学家榜单（2024）。

黄彪，新加坡国立大学助理研究员，2017年和2020年分别获得重庆大学本科和硕士学位，2024年获得香港城市大学博士学位，师从张华教授。主要研究方向是金属纳米材料可控合成与催化和能源领域研究。目前，以第一/通讯作者（含共同）在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Acc. Chem. Res., ACS Nano, Energy Storage Mater.等期刊发表论文14篇。