深圳大学何传新教授Angew观点：仿生策略启发—活性位点耦合微环境调控实现安培级电流密度CO₂还原

第一作者：蔡慧珠、杨恒攀

通讯作者：何传新*

单位：深圳大学

CO₂电化学还原反应（CO₂RR）是一个复杂过程，涉及气体-电极-溶液界面上的多个步骤，因此在反应界面周围构建高效活性位点和调节反应界面周围有利微环境同样重要。在Cu基催化剂表面引入长链烷基或聚合物等疏水分子可有效抑制HER并提升CO₂RR的选择性。然而，这类分子通过形成致密疏水单层，显著降低H₂O和CO₂的跨膜传输能力，从而阻碍*H和*CO等关键中间体的表面吸附，这种空间阻隔效应也导致CO₂RR产物以CO和HCOOH为主。其根本原因在于疏水层限制了*CO中间体的表面覆盖度与扩散自由度，使得C-C耦合所需的相邻*CO吸附位点难以形成。因此设计合成的催化剂表面微环境对CO₂RR十分重要。

基于此，来自深圳大学的何传新团队，在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition上发表题为“Combining the Active Site Construction andMicroenvironment Regulation via a Bio-lnspired Strategy Boosts CO₂ Electroreduction under Ampere-Level currentDensities”的观点文章。该观点文章提出一种仿生策略，在单一催化体系中实现高效活性位点与有利的反应界面微环境协同作用实现安培级二氧化碳还原。

图1. 二氧化碳还原反应示意图

猫是一种可爱且神奇的动物，尽管它们的毛发并非完全浓密，但在毛囊结构的辅助下，仍存在一层稳定且有序的毛发层。因此，猫的毛发也具有一定的防水效果，甚至能在其身上形成一个小小的“湖泊”。受此启发，一种新型毛囊状结构被设计，以可控地调整CO₂RR电催化剂的局部微环境。在这种结构中，Au位点充当毛囊，使己硫醇（HEX）分子能够稳定附着形成疏水层。同时，这种非致密结构为离子传输或气体扩散提供了宽广的微通道。

图2. CuAu-HEX催化剂设计路线

要点二：Au调节Cu的电子结构，化学键确保有机分子稳定修饰

高分辨球差校正透射电子显微镜（HADDF-STEM）成像显示团簇Au位点均匀分布， Au位点有利于HEX分子的有序固定。光电子能谱（XPS）和X射线精细结构（XAFS）吸收谱进一步揭示Cu 2p和Au 4f峰位置发生电子跃迁，表明Au赋予Cu活性位点额外的电子调控作用。红外和拉曼光谱确认HEX分子成功通过Au-S键牢固结合，而非简单物理吸附。

图3. 催化剂结构表征

要点三：CuAu-HEX表现出优异的CO₂RR性能

CuAu-HEX催化剂在0.6至1.0 A cm^-2的宽泛电流密度区间内展现出显著的C₂₊产物选择性优势，其法拉第效率持续稳定在70 %以上。值得注意的是，该催化剂在高电流密度（800 mA cm^-2）下的长期运行测试中表现出卓越的稳定性：在长达110小时的连续电解过程中，其工作电位未出现显著衰减，同时FEC₂₊始终维持在75%以上的高水平。原位拉曼、原位红外光谱及密度泛函理论（DFT）计算发现Au位点通过调节Cu的电子结构增强*CO中间体吸附，促进C-C偶联，加速C₂₊产物生成。HEX疏水层调控CO₂/H₂O比例，有效抑制氢析出，提高C₂₊选择性。

图4. CO₂RR性能表现

图5. CO₂RR机理研究

要点四：构建稳定的固-液-气三相反应界面，促进反应物在电极表面的动态平衡

分子动力学（MD）模拟掲示HEX疏水层提高局部CO₂浓度（CO₂扩散系数增大），同时降低H₂O迁移速率，优化反应路径。一系列不同疏水层密度的CuAu-HEX对比实验揭示了过度致密的疏水性界面会显著抑制CO₂气体向催化剂活性位点的扩散传输，导致催化剂表面反应物浓度不足，最终抑制了其将CO₂转化为C₂₊的能力。当接触角调控至120°时，体系能够保持疏水界面，同时具备CO₂的富集能力和适中的离子传输通道，FEC₂₊达到78%的峰值。这些结果表明疏水-亲水平衡的界面环境构建了稳定的固-液-气三相反应界面，促进了反应物在电极表面的动态平衡。

图6. 电极亲疏水性质研究

Combining the Active Site Construction and Microenvironment Regulation via a Bio-Inspired Strategy Boosts CO₂ Electroreduction under Ampere-Level Current Densities

何传新，深圳大学化学系教授。2019年获教育部青年长江学者，2021年获广东省自然科学二等奖（排名第1），2020年入选英国皇家化学会J. Mater. Chem. A 新锐科学家，2023年和2024年入选科睿唯安全球高被引科学家。近五年以通讯作者发表SCI论文80余篇，其中影响因子大于15的论文43篇，包括Nat. Sustain. （1篇）、Angew. Chem. Int. Ed（7篇）、J. Am. Chem. Soc（2篇）、Nat. Commun.（2篇）、Adv. Mater.（6篇）、Energy Environ. Sci.（3篇）、Nat. Sci. Rev. （1篇）、CCS Chem.（2篇）、Adv. Energy Mater（6篇）、Adv. Funct. Mater.（5篇）等；总发表论文被引14400余次，H-Index 62；作为主要发明人申请国家发明专利43项，授权27项，申请美国专利5项，授权3项，实现专利转化2项。

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何传新教授团队长期招聘电催化与计算化学等方向的博士后，待遇优厚。申请人可将个人简历、反映本人学术水平的代表性成果等文档发送至hecx@szu.edu.cn，何老师，或hpyang@szu.edu.cn，杨老师。