黄艺吟副研究员和罗永晋教授，AS文章：电化学CO2在Cu上的还原：合成控制的结构选择和选择性- 大数跨境

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黄艺吟副研究员和罗永晋教授，AS文章：电化学CO2在Cu上的还原：合成控制的结构选择和选择性

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2021-11-06

导读：本文首先描述了 ECO2RR 中间体主导选择性的原因和规律，随后回顾并总结了各种先进的结构工程方法

文章信息

电化学CO₂在Cu上的还原：合成控制的结构选择和选择性

第一作者：权炜伟

通讯作者：罗永晋*，黄艺吟*

单位：福建师范大学

研究背景

化石燃料的过度燃烧利用和CO₂的大量排放造成了严重的能源和环境问题，在此背景下高效的CO₂回收利用技术得到了快速发展。电化学CO₂还原反应(ECO₂RR)可结合再生能源产生的电能，并将CO₂转化为可重复使用的碳形式，是一种具有广阔前景的技术。

在铜催化剂上进行ECO₂RR可以得到高附加值的产物，具有重要的现实意义。然而Cu催化剂进行的ECO₂RR其选择性产出和反应动力学仍然不足，需要对所使用的Cu催化剂结构进行优化设计，并从根本上控制其合成过程。

本论文讨论了合成控制的结构取向性，以及特定结构对中间体相互作用的调控，为选择性ECO₂RR铜催化剂的设计提供了合成设计相关的见解。

文章简介

福建师范大学物理与能源学院黄艺吟团队对用于电化学CO2还原反应(ECO2RR)到不同高附加值产物的铜基催化剂的合成及其导向结构进行分析，为选择性ECO2RR铜催化剂的设计提供了合成相关的见解。

作者首先描述了 ECO2RR 中间体主导选择性的原因和规律，随后回顾并总结了各种先进的结构工程方法，包括合金/化合物的形成、掺杂/缺陷的引入以及特定晶面/非晶、异质结构、单原子催化剂的使用，和表面修饰改性和纳/微米结构的构建。

该工作进一步将这些结构工程类型与多样化的合成控制以及中间体生成、吸附、反应和其它附加效应关联讨论，从而进一步总结得到了与合成方法控制的结构取向和相应ECO2RR选择性有关的结果。

最后，作者提出了控制Cu基ECO2RR催化剂选择性的中间体调节规律，结构取向的合成化学策略和几种Cu基材料合成化学的发展形式及方向。

该工作成果以“Electrochemical CO₂ Reduction on Cu: Synthesis-Controlled Structure Preference and Selectivity”为题发表于《Advanced Science》，该论文第一单位为福建师范大学，该工作得到国家重点研发计划和福建省青年英才计划等多方资助。

本文要点

要点一：Cu催化剂上ECO2RR的反应与促进机理

选择性控制难的原因：（1）C1产物和C₂/C₂₊产物的热力学还原电势部分重叠；（2）在比多种产物的热力学还原电位更负的过电位条件下电解；（3）Cu基催化剂对多种中间物适度的吸附/反应强度；（4）线性关系的限制致使往一个产物方向进行的反应途径的调节更困难。

选择性调节与控制：（1）对关键中间物如*CO2•−和*CO的具体控制和导向产物合成；（2）结构设计优化反应动力学从而调控选择性；（3）通过膜电极组件调节选择性并提高活性。

图1. 标准条件下ECO2RR对不同产品的标准还原电位

要点二：七种结构工程

（1）合金/化合物的形成—讨论了合金/化合物制备中合成方法的广泛性，铜的电子结构调节的可控性，和关键中间体在铜活性位点上的吸附和反应性。

（2）掺杂/缺陷的引入—讨论了掺杂/缺陷的引入调节Cu的电子结构的机制，调控活性位的电子捕获能力，并改变ECO₂RR途径的原理，以及合成方法的灵活性

（3）特定晶面/非晶—讨论了有规则的表面原子排列，如低指数面、阶梯面、面外位点，和无规则原子排列如非晶态表面在合成上的控制手段，以及对ECO₂RR关键中间体结合的规律。

（4）异质结构工程—讨论了界面可调谐的电子结构和组分间协同作用，对ECO₂RR反应活性和选择性的影响。

（5）单原子催化剂设计—讨论了单原子Cu催化剂中Cu原子活性位点的配位调控和电子结构优化。

（6）表面修饰改性—讨论了通用的表面改性手段(包括无机分子、原子以及有机分子)和作用原理，以及对Cu催化剂选择性和活性的影响。

（7）纳/微米结构的构建—讨论了纳米和微结构工程对反应物、中间态和电解质等传质的控制，以及对电化学微环境和ECO2RR性能的影响。

要点三：合成-结构工程-选择性关系

合成与结构工程关系：（1）不同合成方法的特征和控制因素；（2）合成导向的结构工程；（3）铜基催化剂的协同效应与结构工程；（4）多维度结构工程与复合合成控制。

表1. 主要合成方法和结构过程的统计样例结构工作与选择性关系：（1）结构工程类型对关键中间物吸附/反应的调控；（2）中间物调控与选择性产物的对应关系。

图2. 综述了ECO2RR在不同铜结构上的主要产品。

要点四：展望

（1）几种有前景的结构工程；（2）复合合成—多维度结构工程—协同中间体调控；（3）表面再构与真实位点识别；（4）机器学习对结构工程和合成方法的辅助。

文章链接

Electrochemical CO2 Reduction on Cu: Synthesis-Controlled Structure Preference and Selectivity

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202101597

通讯作者简介

黄艺吟副研究员

2014年中科院海西研究院公派赴香港科技大学从事博士后研究（合作导师：赵天寿院士），获得海西研究院“春苗”青年人才资助。主持国家基金青年项目和福建省青年基金项目，参与多项国家及中科院研究项目。近年来一直从事无机材料的可控合成及其在电化学能源转换中的应用。在金属空气电池、燃料电池、电解合成氢/氨/燃料等新型电化学器件，及其电极材料的研究开发上取得了一系列研究成果和重要进展，累计发表SCI论文60余篇，第一或通讯作者论文包括国际知名期刊Adv. Mater.、Nano Today、Adv. Sci.、J. Mater. Chem A、ACS Energy Lett. (IF=16.3)、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B-Environ.和Nano Energy等。这些研究成果被国际顶级Energy Environ. Sci., Angew. Chem. Int. Ed, Nano Lett.和Adv. Mater.等引用超过1000次。

罗永晋教授硕士生导师

福建师范大学资源循环科学与工程系主任，省级人才项目入选者，“宝琛计划”青年英才，中国再生资源产业技术创新战略联盟青年专家委员会委员。国家“十三五”固废资源化重点研发计划课题负责人；承担国家自然科学基金项目 1 项，省自然基金面上项目 1 项；项目骨干参与国家重点研发计划课题 1 项，国家自然科学基金面上项目 1 项；以一作或通讯作者在 ACS Catalysis, Chinese Journal of Catalysis, Chemical Engineering Journal, ACS Applied Materials & Interfaces, Applied Catalysis B：Environmental等权威期刊上发表 SCI 收录论文 36 篇，授权发明专利 6 件。