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河北科技大学王硕、北京理工大学陈文星，ACS Energy Letters综述：探究CO2RR中影响含铜催化剂性能的因素

科学材料站

2021-10-26

导读：该综述文章分析了影响体相催化剂、含铜化合物催化剂、合金催化剂和单原子催化剂四个体系的含铜催化剂性能的因素，同时汇总了近几年含铜催化剂的应用状况。

文章信息

探究CO2RR中影响含铜催化剂性能的因素

第一作者：孙志一

通讯作者：王硕*，陈文星*

单位：河北科技大学，北京理工大学

文章信息

自19世纪工业革命以来，化石能源进入人们的视野并逐渐取代传统能源。然而，化石燃料的过度使用严重破坏了自然界的二氧化碳循环，并引发了一系列发展问题。一方面，随着经济和人口的快速发展，全球对能源的需求持续增长。

作为一种不可再生资源，化石燃料储量有限。另一方面，化石燃料的过度使用严重破坏了自然界的二氧化碳循环，造成了一系列环境问题，如全球变暖、土地荒漠化、海洋酸化等。因此，迫切需要开发一种能够有效地将二氧化碳转化为高价值产品的方法。

本篇综述结合结合近些年来电催化材料的发展状况，针对典型的含铜催化剂在CO2RR中的应用，将含铜催化剂分为体相催化剂、含铜化合物催化剂、合金催化剂和单原子催化剂，并进一步讨论了各体系中影响CO2RR性能的因素，以帮助设计具有更有效且高选择性的催化剂。

文章简介

本文中，北京理工大学陈文星副研究员和河北科技大学王硕副教授合作，在国际知名期刊ACS Energy Letters上发表题为“Factors Influencing the Performance of Copper-Bearing Catalysts in the CO2 Reduction System”的综述文章。

该综述文章分析了影响体相催化剂、含铜化合物催化剂、合金催化剂和单原子催化剂四个体系的含铜催化剂性能的因素，同时汇总了近几年含铜催化剂的应用状况。

图1. 含铜催化剂的分类及各体系的重要影响因素

文章要点

要点一：CO2RR机理介绍

CO2RR产品主要分为C1产品（CO、甲醇、CH4、HCOOH等）和C2+产品（C2H4、EtOH、C2H6、CH3COOH等）。为了获得更多高价值的C2+产品，有必要对CO2RR过程的反应中间体和反应途径进行研究。

本篇综述通过时间线介绍了近年来典型的含铜催化剂在CO2RR中的应用，并通过表格的形式汇总了近几年报道的含铜催化剂的结构及性能。结合理论计算技术分析了CO2RR的反应途径以及Cu表面化学态和CO*覆盖率对产物分布的影响。

要点二：铜基催化剂表面和界面结构的调节

表面和界面结构的调整是提高催化剂性能的主要手段。催化反应的途径受表面上底物分子的几何构型和化学键的控制，这些构型和化学键可由表面或界面的原子和电子结构控制。

近年来，纳米尺寸范围内表征方法的快速发展使得直接操纵催化剂的表面和界面成为可能。如何通过准确构建表面界面结构来优化催化性能是催化领域亟待解决的核心问题。因此，了解晶面选择、尺寸效应以及界面效应对CO2RR性能的影响有助于分析不同催化剂体系中造成性能差异的原因。

要点三：含铜催化剂的分类总结

本篇综述将含铜催化剂分为体相催化剂、含铜化合物催化剂、合金催化剂和单原子催化剂，并分别对不同体系的催化剂影响因素进行了总结。体相催化剂中介绍了晶面选择、催化剂的粒径及铜原子之间的相互作用对CO2RR性能的影响，由于体相Cu独特的结构特点，更适用于探究Cu本身的结构特点带来的性能差异。

含铜化合物催化剂介绍了铜氧化衍生材料、负载型催化剂及表面改性催化剂的调控性能的方法，重点介绍了氧化铜的表面重构以及不同载体材料的选择。合金催化剂中首先介绍了主客体金属之间调节反应中间体结合能的原因，并重点介绍了结构效应、合金比及掺杂方式对产物分布的影响。

含铜单原子催化剂可以分为Cu作为孤立的活性位点和Cu作为载体两个部分，并介绍了配位环境、键长键角等对催化性能的影响。

要点四：前瞻

作者在配位环境的调控、原位表征技术、人工智能手段及发展具有高经济性的SACs方面提出了自己的见解与展望。作者认为，尽管CO2RR仍然面临许多挑战，但它仍然是解决全球变暖和能源危机的一个有希望的途径。

下一步，研究人员可以结合人工智能等高科技手段，设计和制备高效、稳定、可工业化的CO2RR催化剂。

文章链接

Zhiyi Sun, Yaning Hu, Danni Zhou, Mengru Sun, Shuo Wang, Wenxing Chen, Factors Influencing the Performance of Copper-Bearing Catalysts in the CO2 Reduction System, ACS Energy Lett. 2021.

DOI：10.1021/acsenergylett.1c01965

通讯作者简介

王硕，河北科技大学副教授。

博士毕业于河北工业大学。主要从事功能纳米纤维材料及无机金属催化剂方面的研究。以第一或通讯作者在ACS Energy Lett., Nano Lett., Green Chem., J. Mater. Chem. A等期刊发表相关论文20余篇，授权国家发明专利一项。

陈文星，北京理工大学特别副研究员。

主要从事单原子催化剂的原子级可控合成与能源催化方面的研究，以及应用X-射线谱学方法（XANES、EXAFS）从原子尺度上研究催化剂的局域结构，并运用基于同步辐射大科学装置的原位测试技术对相关反应机理进行探索。相关成果已发表SCI论文150余篇，其中以通讯作者/第一作者（含共同）在Nat. Catal. (1), Nat. Commun. (3), Angew. Chem. Int. Ed. (4), J. Am. Chem. Soc. (5), Adv. Mater. (5), Energy Environ. Sci. (3) 等期刊发表论文40余篇，H指数60，论文总引用12000余次；入选科睿唯安2020年全球“高被引科学家”榜单（化学领域）。担任Nano Res和SmartMat等期刊青年编委。

课题组介绍

陈文星课题组链接：https://www.x-mol.com/groups/wxchen