深圳大学助理教授杨健、博士后范期奎等人AEM：将CO2还原进行到底-基于水相室温下快速合成铜纳米晶用于CO2电还原- 大数跨境

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深圳大学助理教授杨健、博士后范期奎等人AEM：将CO2还原进行到底-基于水相室温下快速合成铜纳米晶用于CO2电还原

科学材料站

2021-08-09

导读：该文章提供了一种简单的水相快速合成铜纳米晶的方法，并利用不同配体的引入量调节铜纳米晶催化剂表面原子价态，最终实现电化学CO2RR产物选择性的调控。

文章信息

调节铜纳米晶表面氧化态以调控电化学CO2RR产物由CH4向C2+转变

通讯作者：杨健，王进，段学志

单位：深圳大学，华东理工大学

研究背景

为在2060年前实现碳中和，电化学二氧化碳还原（CO2RR）被科研人员广泛研究。铜的价态能影响产物选择性，但在操纵铜纳米晶表面氧化态用于CO2RR选择性的调控仍然缺乏报道。

文章简介

本文中，来自深圳大学杨健助理教授和王进教授与华东理工大学段学志教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Manipulating Cu Nanoparticle Surface Oxidation States Tunes Catalytic Selectivity toward CH4 or C2+ Products in CO2 Electroreduction”的论文。

该文章提供了一种简单的水相快速合成铜纳米晶的方法，并利用不同配体的引入量调节铜纳米晶催化剂表面原子价态，最终实现电化学CO2RR产物选择性的调控。

图1. 水相铜纳米晶快速合成示意图及TEM、EDS线扫、球差表征和铜表面不同配体示意图。

本文要点

要点一：水相铜纳米晶的快速合成

常见的铜纳米晶的合成方法主要是在油相中制备而得，水相中的铜并不多见，且铜纳米晶表面原子具有高活性，极易被氧化，传统的合成方法大多耗时久，反应条件苛刻，且不易在空气中储存等缺点。

为解决上述问题，本文在室温下，采用种晶生长法快速合成了铜纳米晶，该铜纳米晶能在空气中长期保存。通过调节配体引入量还可以调控铜纳米晶的抗氧化性，在充裕的配体保护作用下具有良好的抗氧化性，而在少量配体保护的情况下表面铜原子易被氧化。该铜纳米晶易放大量合成，可轻易获得克级催化剂的制备。

要点二：调控铜纳米晶表面氧化态以调节电化学CO2RR产物选择性

铜原子的价态能影响CO2RR产物选择性已有研究证实，但对铜纳米晶催化剂的表面原子价态进行调控却鲜有报道。由于纳米级的铜具有超高的活性，在空气中对其表面原子价态的控制难度极其不易。

为实现对铜纳米晶催化剂表面铜原子价态的调控，我们在合成铜纳米晶的过程中通过调节配体引入量以调控催化剂表面氧化态，在配体充分保护的情况下，铜纳米晶表面原子呈0价。

反之，铜纳米晶表面原子极易被氧化。铜纳米晶表面原子为0价时，在200 mA cm-2的电流密度下实现了产物CH4的法拉第效率达70+%；当铜纳米晶催化剂表面铜原子存在+1时，在200 mA cm-2的电流密度下实现了产物C2+的法拉第效率达%80+%。

图2 铜纳米晶的电化学CO2RR性能。

文章链接

Manipulating Cu Nanoparticle Surface Oxidation States Tunes Catalytic Selectivity toward CH4 or C2+ Products in CO2 Electroreduction

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202101424

通讯作者介绍

杨健深圳大学/材料学院助理教授。

2019年博士毕业于中国科学技术大学化学系，师从吴宇恩教授。2019年12月至今在深圳大学材料学院工作，担任材料学院助理教授职位。目前主要致力于MOFs、纳米、单原子催化剂的理性设计及精细调控，并将其应用于小分子高效电活化转化。目前，以第一作者（排名第一）或共同通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed. (4篇), Adv. Energy Mater. (2篇)，ACS Appl. Mater. Interfaces (1篇), Micro Nano Lett.（1篇）等国际学术期刊发表论文8篇论文总引用1100余次，3篇ESI高被引论文（前1%）。同时，相关的论文也被多家媒体作为新闻、科研亮点、封面文章和前沿文章报道。

王进深圳大学/教授。

2003年学士毕业于清华大学；2006年硕士毕业于清华大学师从李亚栋院士；2010年博士毕业于瑞士洛桑联邦理工大学；2011-2012在瑞士洛桑联邦理工大学从事博士后。2020年获得国家青年科学基金项目, 2016年获得广东省杰青项目。以第一/通讯作者在Nature Materials、 Nature Communications、 Angewandte、Small、 Chemistry of Materials、 Physical Review B、Applied Physics Letters等期刊发表论文30余篇，授权发明专利4项。研究工作曾被Science、Physics Today等选为亮点专文报道。担任Science Advances、Nano Research、Energy等期刊独立审稿人。主持国家自然科学基金优秀青年科学基金、广东省杰出青年基金、国家重点研发计划子课题、广东省重点领域研发计划课题、深圳市基础研究计划等多个项目，入选“广东特支计划”科技创新青年拔尖人才计划。

段学志华东理工大学/教授。

化学工程联合国家重点实验室副主任。2007年学士毕业于湘潭大学，2012年博士毕业于华东理工大学，师从袁渭康院士、周兴贵教授。2012-2013年在华东理工大学从事师资博士后，合作导师：龚学庆教授；2013-2015年赴挪威科技大学De Chen院士课题组从事博士后研究。2017年入选上海高校特聘教授（东方学者）、上海市青年科技启明星计划（A类），2019年获得国家优秀青年科学基金项目支持，2021年入选上海市优秀学术带头人（青年）。致力于发展催化反应动力学理论与方法，指导工业催化剂和反应器设计与优化，主持国家级、省部级、国际合作和企业委托项目20余项，在JACS、Angew. Chem.、Nature Commun.、Chem、Engineering、AIChE J.等主流期刊上发表SCI论文150余篇，其中化工三大期刊30余篇。曾获2020年上海市五四青年奖章集体，2019年教育部“自然科学奖二等奖”、中国石油和化学工业联合会“科技进步一等奖”和“青年科技突出贡献奖”、2019 Reaction Chemistry & Engineering Emerging Investigators、2019 Class of Inﬂuential Researchers in Ind. Eng. Chem. Res.，2018年中国化学会“青年化学奖”、霍英东教育基金会“青年教师奖”，2017年中国化工学会“侯德榜化工科技青年奖”、全球华人化工学者研讨会“Outstanding Youth Award”，2016年国际催化联合理事会“Young Scientist Prize”等奖励。

致谢

该工作得到苏州大学任珊博士在核磁测试中给予大力支持以及西安交通大学分析测试中心王瑜老师在原位拉曼实验中给与的帮助，同时后期理论计算上，得到了中科院深圳先进技术研究院张雪博士鼎力帮助。在此一并表示感谢。