韩布兴/张裴/陈春俊Angew.：Gemini修饰Cu电极高效电还原CO₂生成甲酸！

将二氧化碳(CO₂)电还原为有价值的化学品和燃料是缓解能源和环境问题的一种很有前途的策略。然而，通常对单一产物具有不令人满意的选择性和不充分的电化学稳定性。

中国科学院化学研究所韩布兴、张裴和陈春俊首次使用阳离子Gemini表面活性剂作为改性剂来促进CO₂电还原为甲酸盐。Gemini表面活性剂改性可以显著提高催化剂的选择性、活性和稳定性。Gemini表面活性剂修饰的Cu电极的甲酸盐法拉第效率(FE)可达96%，能量效率(EE)可达71%。Gemini表面活性剂改性的商业Bi₂O₃纳米片也表现出优异的催化性能，使用流动池，在510 mA cm^-2的电流密度下，甲酸盐的FE达到91%。相关工作以“Selective and Efficient CO₂ Electroreduction to Formate on Copper Electrodes Modified by Cationic Gemini Surfactants”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

要点1. 本研究合成了一系列阳离子双子表面活性剂对电极表面进行改性。其中阳离子Gemini表面活性剂可以在电极上形成稳定均匀的表面活性剂层，显著提高CO₂电还原为甲酸盐的选择性和电极的稳定性。

要点2. Gemini表面活性剂修饰的Cu电极的甲酸盐法拉第效率(FE)可达96%，能量效率(EE)可达71%。Gemini表面活性剂改性的商业Bi₂O₃纳米片也表现出优异的催化性能，使用流动池，在510 mA cm^-2的电流密度下，甲酸盐的FE达到91%。

要点3. 详细的研究表明，Gemini表面活性剂的双季铵阳离子和烷基链在促进电还原CO₂方面发挥了至关重要的作用，不仅可以稳定关键中间体HCOO*，还可以为CO₂提供方便的获取途径。这些观察结果可以为促进CO₂电还原的有机改性剂的合理设计提供启示。

图1. 电极表面阳离子Gemini表面活性剂改性示意图。   

图2.（A）不同表面活性剂的分子结构。（B）1-M-Cu的制备方案。（C、D）1-M-Cu和R-Cu的高分辨率TEM。（E和F）1-M-Cu的SEM和EDX。（G，H和I）R-Cu和1-M-Cu的N 1s，F 1s和S 2p XPS。（J）R-Cu、1-M-Cu和结构1的O 1s XPS。

图3. 1-M-Cu和R-Cu上（A）甲酸盐的法拉第效率和（B）部分电流密度的产物选择性。（C）1-M-Cu和R-Cu在稳定性测试期间的电流密度。（D）甲酸盐和H₂在1-M-Cu上20小时内的法拉第效率。    

 图4. 不同X-M-Cu上的eCO₂RR性能。

图5.（A）电解质与R-Cu和1-M-Cu之间的接触角图像。（B）R-Cu和X-M-Cu（X=1、2、3和C）的甲酸盐FE和Zeta电位值。（C）1-M-Cu和R-Cu在CO₂饱和的0.1 M KHCO₃中，在各种施加电势(从OCP到-0.9 V vs. RHE)下的原位拉曼光谱。    

图6.（A）流动池的示意图。（B）Bi₂O₃和Bi₂O₃-S₁在不同外加电位下的HCOO^-的FEs。（C）Bi₂O₃和Bi₂O₃-S₁在不同施加电势下的总电流密度。

Selective and Efficient CO₂ Electroreduction to Formate on Copper Electrodes Modified by Cationic Gemini Surfactants

Xiudong Zhang, Xupeng Yan, Peng Chen, Pei Zhang,* Xinchen Kang, Jun Ma, Chunjun Chen,* Buxing Han*

Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202315822    

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