厦门大学李军教授、彭丽副教授团队，Nature子刊：疏水片状Cu/Cu2O催化剂电还原CO高效合成乙醇

第一作者：马贵峰

通讯作者：李军*，彭丽*

单位：厦门大学

当前，化石燃料的消耗和CO₂排放量的与日俱增，引发了严重的能源危机和环境污染问题。通过电催化CO₂或CO还原生产高附加值化学品受到了人们的广泛关注。乙醇作为一种清洁、高附加值的化学品，在生产、生活中得到了广泛的应用。通过电催化CO制备乙醇不仅能避免二次污染，而且可以适当的缓解环境污染，因此受到了越来越多的关注。尽管电催化CO还原制备乙醇取得了一些进展，但生产乙醇的法拉第效率以及对应的电流密度仍然需要进一步的提高。

基于此，来自厦门大学化学化工学院的李军教授、彭丽副教授在国际知名期刊 Nature Communications上发表了题为“A hydrophobic Cu/Cu₂O sheet catalyst for selective electroreduction of CO to ethanol”的研究文章，该文章主要研究了催化剂表界面性质以及Cu⁺ 对CO还原制备乙醇的影响。

图1. 疏水铜/氧化亚铜催化剂还原一氧化碳设计示意图

如图2和3所示，与传统的铜/氧化亚铜催化剂不同，该研究中的Cu三角片被Cu₂O包裹，表面的Cu₂O 暴露的是(111)晶面，同时Cu₂O表面被正丁胺修饰（图1和图3），创造了一个合适的疏水微环境，降低了电极对水的亲和性，在稳定催化剂的同时促进了电极表面CO的扩散以及提高了表面CO局部浓度。

图2. Cu/Cu₂O-A的扫描和透射电镜图

图3. Cu/Cu₂O-A 的表征

图4.Cu/Cu₂O-A 电催化还原CO的效果

图5. 铜系催化剂各种产物的法拉第效率

要点二：Cu/Cu₂O-X 催化剂电催化还原CO性能 （X=S，A，H）

如图4和5所示，在电位为-0.7 V vs. RHE时，Cu/Cu₂O-A 电催化CO还原生成的C₂₊产物的法拉第效率达到93.5%，其分电流密度为151 mA cm^-2。其中乙醇的法拉第效率为68.8%，分电流密度为111 mA cm^-2，且能够稳定工作100小时。

相比于Cu/Cu₂O-A，过高或者过低的疏水性会导致催化剂选择性有较大改变，Cu/Cu₂O-S因其较高的疏水性导致乙烯的法拉第效率提高至46%，而乙醇的法拉第效率低至8.3%， C₂₊产物的法拉第效率降至69.1%。较低的疏水性导致Cu/Cu₂O-H与水有较好的亲和性，稳定性大大降低，其C₂₊产物的法拉第效率仅有65.4%，其中乙醇的法拉第效率降至37.6%。可见合适的疏水性对于提升C₂₊产物的法拉第效率和乙醇的选择性尤为重要。

要点三：催化剂表面Cu₂O的作用

强调过疏水性的作用后，作者用同一种方法合成了一种表面没有Cu₂O的Cu(Cu-butyl-A)，通过对比实验来验证表面Cu₂O的作用。如图5b-d所示， Cu-butyl-A 电催化还原CO所得到的C₂₊产物的法拉第效率为84.9%，较Cu/Cu₂O-A 略微降低，乙醇的法拉第效率为47.7%，这些结果表明，Cu片表面Cu⁺ 电催化还原CO过程中在提升C₂₊产物方面尤其是乙醇的选择性具有重要的作用。密度泛函理论计算(DFT)也表明Cu₂O的（111）晶面有利于提升乙醇的选择性。

要点四：前瞻

综上所述，通过水热合成片状Cu/Cu₂O-A催化剂，Cu₂O暴露的(111)晶面以及附着在Cu₂O表面的正丁胺，使其具有优异的C₂₊产物选择性、良好的稳定性、较高的电流密度。附着的正丁胺在稳定Cu⁺的同时，能够很好降低催化剂对水的亲和性，促进了CO的扩散、提高了电极表面CO的局部浓度，为高效还原CO制备乙醇提供一种可能的解决方案，该体系也能为后续催化剂的设计提供一种借鉴。

A hydrophobic Cu/Cu₂O sheet catalyst for selective electroreduction of CO to ethanol

李军教授简介：厦门大学化学化工学院教授，博士生导师。主要从事超临界流体绿色化工过程的基础和应用研究，以超临界流体等介入材料/化学品的合成和分离、反应与分离耦合的过程强化等，并涉及其中的量化计算、分子模拟、过程模拟、过程装备等。

开发了多套中试工艺装备/小型工业生产线，在包括Nat. Commun.、Chem. Eng. J.等化学化工期刊上发表论文百余篇, 获授权国际、Guojia发明专利约50项。目前兼职中国化工学会理事, 福建省化工学会副理事长，《厦门大学学报（自然科学版）》、《化工进展》、《过程工程学报》等期刊编委。曾获厦门市优秀教师、宝钢优秀教师奖。

投稿请联系contact@scimaterials.cn