宫勇吉教授， NC：法拉第效率84.5%，超薄 CuO 纳米板阵列将 CO2 电化学还原为乙烯

超薄 CuO 纳米板阵列将 CO₂ 电化学还原为乙烯

第一作者：刘伟，翟朋博，李傲雯，魏博

通讯作者：宫勇吉*

单位：北京航空航天大学

电化学二氧化碳还原反应 (CO₂RR) 是最具有吸引力的人工转化二氧化碳的方法之一，因为其反应条件温和，并可以转化或储存可再生电力。同时，由于乙烯 (C₂H₄)具有着极高的工业价值，其工业生产却强烈依靠化石能源，研究人员对能够将二氧化碳快速高效还原为乙烯的催化剂进行了深入研究。

在这些催化剂中，氧化物衍生的铜催化剂最具潜力，其拥有优异的催化活性和选择性，高的C₂H₄/CH₄产物比例，因此成为了人们关注的对象。然而，在长期电催化测试中，由于催化剂中纳米结构的自我演化和高价铜物种的还原，具有催化活性的Cu/Cu⁺异质界面会消失，导致催化剂的性能急剧下降。因此，构建具有稳定纳米结构以及Cu/Cu⁺ 异质界面的氧化物衍生的铜催化剂，对于提高 CO₂RR制C₂H₄的稳定性具有重要意义。

本文中，来自北京航空航天大学的宫勇吉教授课题组设计了一种氧化物衍生的垂直致密排列的铜纳米阵列，用于高效二氧化碳还原产乙烯。相关工作以“Electrochemical CO₂ reduction to ethylene by ultrathin CuO nanoplate arrays”为题，发表在国际知名期刊《Nature communications》上。

要点一：阳极氧化策略构建氧化铜纳米片阵列

本文利用阳极氧化的方法，借助于氢氧化铜在碱性溶液中的自发脱水，成功在铜箔上制备了氧化铜纳米片阵列（CuO-NPs）。阳极氧化具有反应条件温和可控，易于大批量制备的特点，氧化过程经分析，经历了铜基底的刻蚀、氧化铜的形核和氧化铜的生长三个阶段。合成的氧化铜纳米片通过TEM和AFM观察，具有片状、超薄的特点。

研究人员将合成的CuO-NPs置于电化学二氧化碳反应体系中，原位将其还原，得到氧化物衍生的垂直致密排列的铜纳米阵列（DVL-Cu）。经过电化学还原后，先前氧化铜的堆积形式保持不变，氧化铜纳米片自演化为大量铜/氧化亚铜复合纳米颗粒组成的片状结构。原位Raman测试证明了Cu⁺在CO₂RR过程中的稳定存在，球差电镜配合EELS能谱清晰阐释了Cu⁺物种在DVL-Cu中的分布。

研究人员在碳纸上成功制备了上述催化剂（DVL-Cu@GDL），并证实其在flow cell和MEA中都具有优异的CO₂RR性能。在使用中性 KCl 电解液的flow cell中，该催化剂实现了 84.5% 的极高法拉第效率，并可以稳定电解约 55 h；在膜电极组件电解槽中，在 200 mA cm^-2 下，全电池C₂H₄能量效率为 27.6%。

研究人员利用COMSOL模拟对催化剂中的电流密度分布进行了分析，相比较于容易团聚的铜纳米颗粒，铜纳米片阵列能够有效地分散电极表面电流密度，从而减缓铜的溶解/再沉积过程，高的局部 pH 值保证了结构和界面稳定性，而 Cl^- 特异性吸附抑制了较高过电位下的氢析出，因而催化剂能够在50小时以上的电催化测试过程中保持稳定的形貌和性能。

理论计算证明，Cu/Cu+异质界面对于乙烯的关键中间体*OCCOH具有优异的吸附能力，C-C 耦合的能垒显著降低。

Electrochemical CO₂ reduction to ethylene by ultrathin CuO nanoplate arrays

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29428-9

宫勇吉  教授

2011年毕业于北京大学化学与分子工程学院，获得本科学士学位；2015年在美国莱斯大学取得博士学位。2016-2017年在美国斯坦福大学从事博士后研究。2017年全职加入北京航空航天大学，现为材料科学与工程学院教授。长期从事新型二维材料研究、开发、性质调控及其在新能源领域的应用。

目前，以通讯/第一作者身份在Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature communications, Advanced materials，Materials Today, Advanced Energy Materials, Nano letters等学术刊物上发表研究论文60余篇。被引用17,000 余次，H因子62。