刘苏彪教授、骆静利教授AEM综述：特定金属纳米构型在CO2电还原中的最新研究进展与观点

第一作者：喻慕琳

通讯作者：骆静利*，刘苏彪*

单位：中南大学，深圳大学、加拿大阿尔伯塔大学

将CO₂电还原为高价值燃料是有效缓解全球气候急剧变暖和能源危机的有力手段。然而，热力学高能垒、反应动力学迟缓、CO₂转化率不足、目标产物选择性差和材料快速降解等问题严重限制了其进一步大规模应用，凸显出发展高性能电催化剂的重要性。

金属纳米材料因其固有的高反应性、选择性和稳定性而受到广泛关注，然而针对特定金属纳米构型在CO₂电还原（CO₂RR）领域中的应用及其潜在作用机制的综述文章相对缺乏，本文系统全面地分析与讨论了精确构建特定纳米构型所带来的表面结构(如粗糙度、孔隙率和缺陷)、表面结晶学(晶界和空位)、表面改性及其相关效应(如尺寸效应、局部电场效应和界面效应)对CO₂RR性能的影响及作用机制，并建立了特定纳米构型-性质/效应-活性间构效关系。

基于此，来自中南大学的刘苏彪教授与加拿大阿尔伯塔大学（现深圳大学）的骆静利教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Specific Metal Nanostructures toward Electrochemical CO₂ Reduction: Recent Advances and Perspectives”的综述论文。该论文对具有特定构型的单金属和双金属纳米材料进行了全面细致的讨论与分析，强调定向构建具有高活性和高稳定活性位点的特定纳米构型对促进CO₂RR的重要性。

图1. 用于CO₂RR的各种特定金属纳米结构的示意图。

通过对Au、Ag、Cu、Sn、In、Bi等大尺寸单金属材料进行CO₂RR的研究，发现部分大块材料对CO₂RR具有较强的本征反应活性、选择性和稳定性，为后续研究提供了有价值的指导。为了进一步提升CO₂RR性能，研究人员逐渐将研究重点从单金属块状材料转移到单金属纳米材料，并发现一些特定的活性位点在CO₂RR过程中起着至关重要的作用，如不同的物理化学性质、暴露的特定位置(如晶面、边缘、角和台阶位点)和某些特定效应都与特定纳米构型有着强关联性。

因此，构建和调控具有特定构型的单金属纳米构型，包括纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米板、纳米片、纳米多面体和其他特殊纳米构型，对提升CO₂RR性能具有重要意义。

图2. 各类单金属纳米结构的SEM/TEM图。

要点二：双金属纳米结构促进CO₂RR

某些单金属材料，例如，Cu、Au和Ag等，因其与CO₂结合能力较弱，这使得*COOH的形成具有较高的热力学能垒，而Pt、Pd和Ni虽表现出较强CO结合能力，但CO中毒现象限制了CO₂RR活性位点的暴露。为了弥补这一“材料缺陷”，双金属或多金属协同作用的研究逐渐发展，一定程度地弥补了单金属的不足。

与特定单金属纳米构型不同，特定双金属纳米构型更为复杂，涉及更多影响CO₂RR性能的因素，包括但不限于界面效应、相效应、特定纳米构型效应和晶界效应等。其中，特定双金属纳米构型可大致分为三类，包括双金属异质结构、合金纳米结构和金属与金属基化合物纳米复合结构。

图2. 各类双金属纳米结构的TEM图及其对于的能谱图。

要点三：前瞻

虽然在制备具有优异CO₂RR性能的特定金属纳米构型上已经取得了显著进展，但从实验和理论角度完整而清晰地剖析特定纳米结构的影响、阐述特定金属纳米构型的本征活性并阐明相应反应途径仍较困难，因此，我们提出未来需特别关注CO₂RR过程中的结构演变，包括原位/操作技术、高通量理论计算以及克服更多材料制备难题以实现其大规模生产和实际利用。

Specific Metal Nanostructures toward Electrochemical CO₂ Reduction: Recent Advances and Perspectives

刘苏彪教授简介：中南大学教授、博士生导师，Guojia海外Gaocengci人才，Zhongyang组织部【Qianren计划】青年学者，“金属资源低碳利用教育部工程研究中心”学科带头人。

基于温室效应导致的全球气候急剧变暖和生态系统失衡等危机，刘苏彪教授团队围绕如何利用新型特定构型材料降低并转化大气中已有CO₂，和从源头上减排CO₂实现清洁生产两方面展开多学科交叉融合研究，长期致力于电催化、固体氧化物燃料电池/电解池及能源存储与转化材料（如钙钛矿材料、纳米金属材料、金属氧化物/硫化物/磷化物）等领域的研究，研制开发了新型固体氧化物燃料电池/电解池新工艺（如，乙烷脱氢制乙烯、CO₂重整等），在绿色能源和CO₂捕集、利用与还原方面取得了众多研究成果。

已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Edit., ACS Catal., Adv. Energy Mater., Electrochem. Energy Rev., Nano Energy等国际顶尖期刊发表论文50余篇，担任Advanced Powder Materials、Materials Research Letters，Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition)、中国有色金属学报（中文版）等中英文期刊青年编委。

同时，针对核电材料腐蚀问题，开展过大量有关局部腐蚀机理、冲刷腐蚀机理与防护、应力腐蚀开裂机理、系统微量元素对应力腐蚀开裂的诱导作用等研究，已在国际顶尖期刊Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Energy& Environmental Science, ACS Catalysis等发表研究论文400多篇，并于 2014 年获得加拿大材料化学奖，2002 年加拿大冶金学会颁发的 Morris Cohen 奖等奖项以表彰她所作的贡献。

喻慕琳博士简介：中南大学资源加工与生物工程学院2021级博士，2020年在中南大学化学与化工学院获得理学硕士学位，2021年加入刘苏彪教授课题组，研究方向为特定构型金属纳米材料在二氧化碳电还原上的应用。

本团队围绕如何从根源上减排CO₂和如何将已有CO₂转化为高价值燃料为课题展开研究，主要研究方向包括电催化室温/高温CO₂还原、固体氧化物燃料电池或电解池（SOFC/SOEC）、电化学海水资源提取、理论计算（DFT）和机器学习（Machine Learning）等。

本团队现面向海内外招聘2-3名博士后研究员，综合年薪：36万/年左右，具体要求如下：

1）具有化学、化工、材料、环境和物理研究背景或具有理论计算（DFT）、机器学习（Machine Learning）和熟练操作扫描电化学显微镜（SECM）等背景优先；

2）具有较强的科研创新能力和团队协作精神，且已取得显著科研成果；

3）年龄小于35周岁，且获博士学位不超过3年，特别优秀者，可放宽年龄限制；

4）工作地点：中南大学。

请将简历、代表性成果及其他能说明科研能力的材料发送至subiao@csu.edu.cn，并注明：博士后申请+姓名+学校+申请方向，电话：15675160502。

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