北航朱英课题组JACS：疏水+超稳定Cuδ+实现安培级电流电催化还原CO2制C2产物

第一作者：方鸣伟

通讯作者：朱英*，戴黎明*

单位：北京航空航天大学，新南威尔士大学

利用可再生能源电催化还原二氧化碳(CO₂RR)制取高附加值产物，为实现高效碳资源循环利用提供了一条可行途径。在众多CO₂RR产物中，C₂H₄、C₂H₅OH等多碳产物因其高能量密度而受到广泛关注。CO₂-C₂₊转化过程涉及多步质子耦合电子转移，并伴随催化位点上的多个中间体偶连，往往导致活性和选择性较低。因此，开发稳定高效的CO₂RR催化剂是当前的研究重点与难点。铜(Cu)是目前已知的少数能有效电催化二氧化碳生成高附加值多碳产物的催化剂。由于反应中Cu^δ+价态和微观结构的不稳定，Cu基催化剂仍面临着在高电流密度下选择性低、耐久性差等挑战。

近日，来自北京航空航天大学的朱英课题组联合新南威尔士大学的戴黎明课题组，针对CO₂RR反应过程中Cu^δ+价态和微观结构不稳定的难点问题，创新性的提出了以甲酸铜为前驱体的一步表面配位电化学沉积策略，合成了兼具超稳定Cu^δ+及疏水性的 Cu枝晶（Cu CF）。研究人员发现，Cu CF表面存在Cu(II)羧酸配位物种，促使Cu CF保持了稳定的Cu^δ+活性价态，暴露空气中180天后无变化；同时抑制了催化剂表面迁移重构，使催化剂表面保持了丰富的气-液-固三相界面，大幅提高了催化活性与稳定性。

研究人员系统研究了Cu CF的CO₂RR性能。在流动电解池中，Cu CF能够将CO₂高效还原为多碳产物，C₂法拉第效率高达90.6%，分电流密度达453.3 mA cm−2。在MEA电解池中，Cu CF能够在800 mA电流下稳定连续运行400 h，更实现了10 A大电流工况条件下连续稳定运行；研究人员进一步利用固态电解池实现了连续收集乙醇溶液（相对纯度~90%），在600 mA电流下连续运行超50 h（图1）。

Hydrophobic, Ultrastable Cu^δ+ for Robust CO₂ Electroreduction to C₂ Products at Ampere-Current Levels