广西大学徐晶教授、何会兵副教授， Advanced Science：高效三相异质结铜基催化剂设计与水系Zn-CO2电池应用

第一作者：马俊杰

通讯作者：何会兵*，徐晶*

单位：广西大学

传统化石燃料的过度使用造成了严重的能源危机和二氧化碳的温室效应，这促使人们为实现碳中和做出了无数努力。电催化二氧化碳还原反应（ECO₂RR）利用可再生能源发电，因其能源效率高、产品多样性和广泛的应用而成为一种潜在的补救措施。然而，所报道的 ECO₂RR 设备通常需要电力输入来驱动二氧化碳转化。因此，金属-CO₂（M-CO₂）电池作为一种兼具储能和CO₂固定/利用功能，同时输出电力和更高附加值产品的新技术，开始引发越来越多学者的广泛研究。这种极具前景的储能技术也有可能应用于火星探索。然而，尽管取得了巨大进步，这些金属-CO₂电池（例如Li-CO₂和Na-CO₂电池）仍然存在安全性差和成本高的问题。相比之下，水性锌-二氧化碳电池（ZCB）基于质子耦合电子转移机制实现了灵活的二氧化碳电化学和能量存储。水性 ZCB 不仅可以催化 CO₂ 转化为 CO 和 HCOOH 等增值化学品，还可以减少固体产物的积累，从而实现持久的循环寿命。同时，为了保证水系ZCB的可充电性，迫切需要一种双功能催化剂，即在放电过程中还原CO₂为CO，在充电过程中氧化H₂O产生O₂。

近日，广西大学徐晶课题组等人利用水热合成法合成了三相异质结铜基催化剂，并且首次实现了该材料在Zn-CO₂电池阴极放电的应用。并且通过非原位XRD, XPS谱图以及TEM探究了通过引入Sb₂O₃使得催化活性中心更加稳定。同时还通过原位红外以及理论计算深入探究不同异质结构对产物选择的影响。不仅如此，以Cu/Cu₂O–Sb₂O₃-15作为阴极材料的Zn-CO₂电池拥有 3.01 mW cm⁻² 的峰值功率密度以及 417 次循环的出色循环稳定性。该文章发表在国际顶级期刊Advanced Science上。马俊杰为本文第一作者，何会兵副教授，徐晶教授为共同通讯作者。

由于铜基催化剂成本低廉，合成工艺简单，产物具有多样性，因此本工作采用水热合成法合成三相异质结铜基催化剂，并采用XRD、SEM以及TEM探究异质结构是否合成成功。

此工作采用XPS分析了引入Sb₂O₃前后，催化活性中心Cu价态的变化，表明通过引入Sb³⁺使得催化活性中心更加稳定；同时进一步分析了反应前后的XPS进一步探究整个催化过程中Cu的价态的变化。

引人注目的是，此工作将三相异质结 Cu/Cu₂O-Sb₂O₃-15 作为阴极应用于可充电水系 ZCB，其具有优异充放电性能，阴极放电的同时可以产生高附加值燃料CO，同时峰功率密度可高达3.01mW cm^-2,循环稳定性高达150小时。

引人注目的是，此工作将三相异质结 Cu/Cu₂O-Sb₂O₃-15 作为阴极应用于可充电水系 ZCB，其具有优异充放电性能，阴极放电的同时可以产生高附加值燃料CO，同时峰功率密度可高达3.01mW cm^-2,循环稳定性高达150小时。

最后我们采用理论计算以及原位红外技术深入探究三相异质结催化剂对CO高选择的反应机理。

总之，作者开发了三相异质结 Cu/Cu₂O-Sb₂O₃-15 作为一种有效的铜基电催化剂，在 ECO₂RR 生成 CO 的高选择性和稳定性方面具有优异的性能，并在可充电 ZCB 中成功应用阴极。三相异质结 Cu/Cu₂O-Sb₂O₃-15 的最大 FECO 相对于 RHE 为 96.3%，并稳定运行 36 小时，表现出出色的选择性和耐用性。此外，Cu/Cu₂O-Sb₂O₃-15作为正极材料，使得组装的ZCB具有3.01 mW cm−2的竞争峰值功率密度，稳定循环高达417次，在放电时具有出色的ECO₂RR性能。DFT 计算和原位 ATR-IR 表征共同揭示了优异催化性能的主要原因是关键中间体 *COOH 的容易形成。这项研究为通过可充电水性锌-二氧化碳电池固定和使用二氧化碳开辟了新的可能性，为构建用于选择性二氧化碳还原的高效电催化剂提供了新的见解。

徐晶教授：2008年05月博士毕业于新加坡国立大学, 2008年06月在新加坡国立大学从事博士后研究工作，2009年12月加入华东理工大学化学化工学院，2021年10月加入广西大学化学化工学院，博士生导师。教育部长江学者特聘教授，曾获中国化工学会侯德榜化工科技创新奖、中国化工学会科学技术奖(基础类)二等奖。迄今为止主持国家重点研发项目课题和子课题、国家自然科学基金、教育部“新世纪优秀人才支持计划”等20多项科研项目。在J. Am. Chem. Soc. 、PNAS、ACS Catal. 、AIChE.等期刊发表学术论文120余篇，他引5800余次。

何会兵副教授：2016年12月博士毕业于武汉大学，2017年1月入职于天津捷威动力工业有限公司，2019年3月在加拿大UBC大学从事博士后研究工作，2020年6月加入广西大学化学化工学院，硕士生导师。迄今为止主持国家自然科学基金青基1项，省部级项目3项，参与广西重点研发计划等项目多项。在Advanced Functional Materials, Advanced Science, Chemical Engineering Journal, Small等学术刊物上发表论文33篇，其中第一作者/通讯作者21篇（含4篇ESI高倍引论文和1篇封面论文），出版一部英文专著章节，并申请中国和加拿大专利10余件（已授权1件）。