陈为/魏伟/孙予罕最新EES：铜气体透散电极上安培级二氧化碳还原到多碳产物

第一作者：朱畅

通讯作者：陈为/魏伟/孙予罕

通讯单位：中国科学院上海高等研究院

论文DOI：10.1039/D2EE02121H

基于此，中科院上海高等研究院的陈为、魏伟及孙予罕研究团队设计了铜中空纤维气体透散电极，向三相界面位置提供无限的CO₂以突破低CO₂溶解度限制，这可以轻松实现在安培级电流密度下电还原CO₂。表面重构进一步提高了C₂₊产物的选择性。这种具有合理表面促进作用的气体透散配置为提高高价值CO₂减排产物的生产效率提供了一种新的策略，从而进一步开发与工业相关的CO₂转化装置。

由可再生电能驱动的CO₂电化学转化为增值化学燃料在减少CO₂净排放和满足能源需求方面具有双重作用。然而，由于多个质子-电子耦合和C-C耦合步骤的缓慢动力学，eCO₂RR到C₂₊产物的电流密度仍然不足以用于工业规模实施。因此，开发用于在高电流密度下高产量CO₂-C₂₊产物转化的高效电极尤为重要。低CO₂溶解度（25℃和1 atm下为34 mM）和厚的传质边界层阻碍了CO₂传质，因此，需要一种新的功能电极配置设计，以在高电流密度下保持优异的选择性和稳定性。

由商品氧化铜粉通过相转化/烧结法制得具有自支撑3D多孔结构的铜中空纤维（Cu HF）电极，进一步通过电化学活化重构电极表面得到活化的铜中空纤维（activated Cu HF）。原位拉曼证实活化过程中Cu(OH)₂和Cu₂O物种的还原，非原位拉曼，XRD和XPS均证实Cu0为最终的还原状态。

图1. 形貌表征和组分分析

要点2：

电化学测试结果表明，activated Cu HF在极宽的电流密度范围内均能保持优异的CO₂还原性能。在低电流密度下的主要还原产物是CO和甲酸盐（C1产物），而在高电流密度下C₂₊产物占主导地位。在0.5 M KHCO₃溶液中activated Cu HF最高可以获得62.8%的C₂₊法拉第效率，而Cu HF最高C₂₊的法拉第效率仅为28.1%。在0.5 M KHCO₃和3.5 M KCl作为阴极电解液时activated Cu HF均表现出卓越的稳定性。1.4 A cm⁻²的C₂₊分电流密度优于之前报道的绝大部分铜基电催化剂。

图2. 电化学CO₂还原性能测试

要点3：

使用OH⁻在不同铜晶面上的电化学特征吸附行为来量化Cu(100)暴露，证实电化学重构的activated Cu HF暴露了更多的Cu(100)面，DFT进一步证实Cu(100)相较于Cu(111)和Cu(100)具有更低的CO二聚能垒，这有助于建立足够的CO覆盖并促进C-C耦合。

图3. 晶面效应和理论计算研究

综上所述，本文通过表面重构得到具有微/纳米结构富Cu(100)中空纤维配置，这为提高三相界面反应和传质动力学以及促进CO*中间体的C-C偶联提供了新的机会。此外，具有简单制造程序的单一成分和坚韧框架使中空纤维成为具有优异耐久性的理想工业电极。这项工作呈现了CO₂电还原为高价值C₂₊令人鼓舞的进展，并可能进一步扩展应用。

Ampere-level CO₂ reduction to multicarbon products over a copper gas penetration electrode

陈为研究员简介：2008年博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，2008-2010年在美国佛罗里达国际大学从事电化学储能方面的博士后研究；2010-2015年在沙特阿卜杜拉国王科技大学以研究科学家身份从事先进多孔膜材料方面研究；2015年8月入职中国科学院上海高等研究院，入选中科院“百人”计划。

主要研究领域包括：二氧化碳资源化利用、光电催化、碳基小分子温和转化等。以第一或通讯作者身份在Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B: Environ., Energy Environ. Sci. 等学术刊物上发表多篇高水平论文研究论文。曾获得全国百篇优秀博士学位论文，辽宁省自然科学一等奖等。

目前在重要学术杂志，如Nature，Nat. Chem.，Nature Geosci.，Nat. Commun.，Joule，Energy Environ. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed. 等发表高水平论文400余篇，已授权或申请国际发明专利3项、国家发明专利80余项，获中国石油天然气集团创新技术二等奖。

曾荣获第13界国际催化大会优秀青年科学家奖等，享受国务院政府特殊津贴。兼任国际碳捕集领导小组成员；同时担任《化工进展》、《气候变化研究导报》、《天然气化工》、《光谱学与光谱分析》等学术期刊的编委。

孙予罕主要从事含碳资源与CO₂转化利用中催化和工程研究，以及相关纳米材料及其在绿色化学和光学中的应用研究，包括近期的清洁能源战略与解决方案研究。至今，已在Nature, Science, Nature Chem, Nature Comm, Science Advance, Energy Environ. Sci., Advanced Materials, Angewandte Chemie, Green Chemistry, Chemical Communication, ACS Catalysis, Journal of Catalysis, Journal of Materials Chemistry, Catalysis Today等期刊发表学术论文500余篇, 获得国家发明专利100余项，并先后多次获中科院杰出成就奖、山西省自然科学/技术进步二等奖等。

朱畅， 2017年9月-2020年6月，中国科学院上海高等研究院硕士研究生；2020年9月至今，中国科学院上海高等研究院在读博士研究生，主要从事二氧化碳资源化利用、电催化转化等研究，以第一作者身份在Energy Environ. Sci., J. Power sources等重要期刊上发表数篇相关论文。

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