宁夏大学王政教授ASS：电化学预重构尺寸可调的Cu2O纳米立方体实现切换控制C1和C2+产物的CO2电还原途径

第一作者：周生亮

通讯作者：王政*

单位：宁夏大学

电化学CO2还原反应（eCO2RR）因其能够将CO2转化为有价值的化学品，已成为科学界和工业界的焦点。然而，由于C2+路径与C1路径存在部分耦合（包括*CO和*CHO的形成），电化学预重构调控引发的C1/C2+路径转换机制不明，严重制约了高效铜基催化剂的设计进展，进而阻碍了对目标碳产物的精准调控。因此，本工作设计了尺寸可调的Cu2O NCs作为模型体系，通过电化学预重构，使其在C1和C2+途径之间灵活切换以获得目标碳产物，这有望推进铜基催化剂上eCO2RR的精确控制。

近日，来自宁夏大学的王政教授，在国际知名期刊applied surface science上发表题为“Electrochemically Pre-reconstructing Size-Tuned Cu2O Nanocubes to Tailor CO2 Reduction Pathways toward C1 or C2+ Products”的观研究成果。

本工作设计了尺寸可调的Cu2O NCs作为模型体系，通过电化学预重构，不同的表面相Cu+/Cu0与体相Cu+/Cu0的比（R）被获得，破译了eCO2RR期间高效C1和C2+途径之间的灵活转换机制。结果显示，只有当R达到适中的5.21±0.95时，体相与表面相中Cu+与Cu0的含量适宜C-C耦合，乙烯的高FE才能被获得（最高达62%），R值过高与过低C1就会成为主导（最高达51%），尤其R值过低时，Cu0过多的负责反应，析氢严重。本工作为电化学预重构诱导的Cu+/Cu0混合态影响产物选择性提供了新的视角，使其在C1和C2+途径之间灵活切换以获得目标碳产物，这有望推进铜基催化剂上eCO2RR的精确控制。

通过简单调控NaOH浓度，采用化学还原法成功合成了三种尺寸均匀的Cu2O纳米立方体（23 ± 5 nm、40 ± 10 nm 和 175 ± 30 nm），整个过程无需添加任何表面活性剂，实现了对纳米颗粒尺寸的精准调控。

电化学预重构研究表明，不同尺寸的Cu2O纳米颗粒表现出显著差异的结构演化行为：Cu2O-23和Cu2O-40重构后分别形成约5 nm和8 nm厚的非晶Cu层，其中含有微量Cu纳米团簇；而Cu2O-175重构后则形成20 nm厚的重构层，由混合价态铜纳米颗粒和高密度晶界组成。

通过电化学预重构，Cu2O-40获得了高密度晶界，有效稳定了Cu+物种，并优化了表面与体相Cu+/Cu0的比例。该催化剂在384 mA cm-2的工业级电流密度下，实现了62%的C2H4选择性，展现出优异的CO2还原性能。

预重构过程能够有效调控催化剂表面和体相铜的价态分布。Cu2O-40保持了优化的表面-体相Cu+/Cu0比例（5.21 ± 0.95），而过高或过低的Cu+/Cu0比例则使产物选择性向C1化合物偏移，从而实现了C1与C2+产物之间的灵活调控。

在高电流密度下，Cu2O能够形成具有高晶界密度的多晶团簇结构，有效抑制形貌重构，稳定表面及体相中的Cu+物种，维持有利的Cu+/Cu0比例，从而显著提升了催化剂的运行稳定性。

Electrochemically Pre-reconstructing Size-Tuned Cu2O Nanocubes to Tailor CO2 Reduction Pathways toward C1 or C2+ Products

该工作在宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室王政教授的指导下完成，论文第一作者为宁夏大学化学化工学院2023级研究生周生亮，第一通讯单位为宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室。