上海光源王宇和北理工陈文星，Nat. commun. ：亚稳态电荷不对称Cu2-CuN3团簇用于CO2还原制乙醇及原位谱学表征- 大数跨境

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上海光源王宇和北理工陈文星，Nat. commun. ：亚稳态电荷不对称Cu2-CuN3团簇用于CO2还原制乙醇及原位谱学表征

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2022-03-15

导读：该文合成了一种负载在氮掺杂碳纳米片上的CuO簇作为电催化剂，实现了CO2还原的高稳定性、活性和选择性。

文章信息

亚稳态电荷不对称Cu₂-CuN₃团簇用于CO₂还原制乙醇及原位谱学表征

第一作者：Xiaozhi Su, Zhuoli Jiang, Jing Zhou

通讯作者：王宇*，陈文星*

单位：中国科学院上海高等研究院，北京理工大学

研究背景

使用可持续能源将CO₂电化学转化为增值产品是环保且经济的方法。众所周知，具有显著能量密度的C₂₊碳氢化合物或含氧化合物，如乙醇(C₂H₅OH)、乙烯(C₂H₄)和正丙醇(n-C₃H₇OH)，对于解决能源危机具有更大的价值。然而，复杂的产物选择性限制了二氧化碳减排的发展和应用，这种对C₂₊碳氢化合物选择性的研究引起了科学界广泛的关注和讨论。

铜基材料是CO₂还原为多碳产物的绝对有效和有前途的催化剂。以前的工作表明，活性位点的局部结构和电子状态的揭示对研究CO₂转化为C₂₊产物的反应途径和催化机制具有重要意义。由于多维度对反应系统进行原位监测的研究较少，电催化剂的原子构效关系对活性和选择性的影响机制尚不明确。

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文章简介

来自中国科学院上海高等研究院王宇和北京理工大学陈文星合作，在顶级期刊Nature Communications上发表题为“Complementary Operando Spectroscopy identification of in-situ generated metastable charge-asymmetry Cu₂-CuN₃ clusters for CO₂reduction to ethanol”的研究文章。该文合成了一种负载在氮掺杂碳纳米片上的CuO簇作为电催化剂，实现了CO₂还原的高稳定性、活性和选择性。

图 1 催化剂的Operando XAFS表征图及基于Operando XAS和准原位XPS分析的催化活性Cun-CuN₃簇的可逆形成方案（红褐色，O；灰色，C；紫色，N；蓝色，Cu与N和Cu键合；绿色，Cu只是与Cu键合）

本文要点

要点一：CO₂RR催化剂合成及性能研究

通过控制载体上的氮含量调节Cu物种与载体之间的电子转移和相互作用，作者制备的最佳催化剂可以在-1.1 V vs. RHE 的电位下呈现出高达73%的C₂₊产物法拉第效率，其中包括51%的乙醇法拉第效率。此外，该催化剂在10 h内表现出优异的CO₂电还原长期稳定性。

要点二：催化剂活性位点的原位谱学表征

作者利用多种现场原位（Operando）光谱（XAS、XPS和FTIR）、XANES 模拟和理论计算等手段揭示了反应条件下催化剂的重组并跟踪了其活性状态的变化，从实验和理论上阐释了催化界面处的原子构效关系。

Operando XAS、XANES模拟和准原位XPS分析确定了从分散的CuO簇到作为最佳位点的Cu₂-CuN₃簇的可逆的电位依赖性转变。在施加电压的条件下，CuO簇转变成亚稳态的Cu₂-CuN₃簇参与催化反应，无电压情况下，催化剂会恢复到稳定的CuO簇状态。通过调节Cu原子和N掺杂碳界面之间的电荷分布保持Cun簇优异的稳定性和高活性。通过结合 Operando FTIR 和 DFT理论计算，发现Cu₂-CuN₃簇表现出电荷不对称位点，CH₃^* 吸附增强了这些位点，有利于高效不对称乙醇的形成。

文章链接

Complementary Operando Spectroscopy identification of in-situ generated metastable charge-asymmetry Cu₂-CuN₃ clusters for CO₂ reduction to ethanol.

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29035-8

通讯作者简介

王宇中国科学院上海高等研究院研究员。

2006年毕业于中国科学技术大学，2012年在中国科学技术大学国家同步辐射实验室获博士学位。自2006年开始从事同步辐射研究工作至今，主要研究方向为X射线吸收谱学方法学发展及应用，并结合多种实验方法研究金属蛋白和配合物催化剂。目前担任上海光源BL14W1线站运行负责人。入选中科院青年创新促进会，主持多项国家自然科学基金，在J. Am. Chem. Soc.， Advanced Material，PNAS, Energy Environ. Sci.等期刊上发表学术论文60余篇。

陈文星 京理工大学副研究员。

主要在单原子催化剂的原子级可控合成、局域结构表征与催化性能分析方面从事研究工作，并致力于应用X-射线谱学方法从原子分子尺度上对物质的局域结构进行解析，运用基于同步辐射大科学装置平台的原位测试技术对相关反应机理进行探索。相关成果已发表文章160余篇，SCI总引用16000余次，50余篇入选ESI前1%高被引论文，H指数68。入选2020年和2021年科睿唯安“全球高被引科学家”榜单。2021年入选Elsevier&Stanford公布的“标准化引文指标全科作者数据库”全球10万全科科学家年度影响力名单。其中以通讯作者/第一作者（含共同）身份，分别在Nat. Catal. (1)，Science Advances (1)，Nat. Commun. (4)，J. Am. Chem. Soc. (5)，Angew. Chem. Int. Ed. (4)，Advanced Material (5)，Energy Environ. Sci. (3)等期刊上发表论文50余篇。担任Nano Research和SmartMat等期刊青年编委。