第一作者：Guifeng Ma
通讯作者：李军，彭丽
通讯单位：厦门大学
论文DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36261-1
近年来，将一氧化碳电催化还原为双碳或多碳的燃料/化学品，吸引了研究人员的广泛关注。在此，作者合成了超疏水的Cu/Cu2O片电催化剂（具有疏水的正丁胺层），并展示了其在CO电还原中的应用。基于该催化剂的CO还原，可以产生双碳或多碳产物，其法拉第效率为93.5%，分电流密度为151 mA cm-2。此外，乙醇产物的法拉第效率为68.8%，分电流密度为111 mA cm-2。该性能优于大多数之前报道的CO2/CO电还原性能。所制备的催化剂还展示了令人印象深刻的稳定性，即使在工作100小时后，仍能保持较高的双碳/多碳产物活性和选择性。这项工作为CO2/CO高效电催化转化为液体燃料，开辟了一条新的道路。
电化学CO2还原反应（CO2RR）生成节能燃料和化学品，可以缓解对化石燃料的依赖，并减轻温室气体效应。单碳产品的生产相对简单，例如，目前正在开发的商业化CO2RR生成CO。含有两个或更多碳原子的产物（C2+产物），例如乙烯、乙酸和乙醇，是具有更高经济价值的有用化学品或燃料。因此，高效的CO2RR转化为C2+产物非常重要。铜基催化剂已被证明可有效地将CO2转化为C2+产物，并具有较高的选择性。然而，目前的研究工作仍需降低阴极过电位，并进一步提高C2+产品的选择性。CO被认为是生成C2+化合物途径上的关键反应中间体。最近的研究报道了高效的CORR，这可用于以CO作为中间原料的CO2转化中的中间步骤。因此，CO反应（CORR）已受到越来越多的关注，并显示出广阔的前景。
目前，一些研究报道提高了 CORR 对C2+产物的选择性。例如，通过优化阴极结构，可以促进CO在电极和Cu催化剂表面的扩散，实现高达52.7%的乙烯法拉第效率（FE）。此外，研究人员通过限制铜上的CO覆盖率，实现了72%的乙烯FE，以及高达800 mA cm-2的分电流密度。相比之下，关于CORR生成乙醇的研究却很少。实际上，乙醇具有较高的能量密度、较高的市场价格和全球需求量，因此，CORR生成乙醇特别令人感兴趣。然而，在总电流密度高于10 mA cm-2的情况下，基于CORR工艺的乙醇FE仍需进一步提升，而且催化剂的稳定性也较差。因此，在CORR工艺中，探索对乙醇具有高催化活性、选择性和稳定性的催化剂，仍然是一项具有挑战性和重要性的任务。
图 1. 用于CORR的疏水性Cu/Cu2O催化剂的示意图。Cu/Cu2O表面上的正丁胺，用于捕获CO分子。
图 2. Cu/Cu2O-A的SEM和TEM图。a, d SEM 图。b, c TEM 图。e, f 分别从图像b和c中白色正方形标记的区域测量的强度分布图。
图 3. Cu/Cu2O-A的表征。a 所制备的疏水性Cu/Cu2O-A催化剂的Cu 2p XPS光谱图。刻蚀不同深度Cu/Cu2O-A催化剂的b Cu LMM，c高分辨率C 1 s XPS 光谱图和d高分辨率N 1 s XPS 光谱图。e Cu/Cu2O-A的FT-IR图。f, g 在CORR测试100 h前后，Cu/Cu2O-A催化剂的水接触角图。
图 4. 疏水性Cu/Cu2O-A的CO电还原性能。a在2.0 M KOH中，CORR测试期间，不同产物的分电流密度和法拉第效率。b 在2.0 M KOH中、164 mA cm-2下，Cu/Cu2O-A的 100 小时CORR稳定性测试。
图 5. 不同产物的法拉第效率。a 在2.0 M KOH中，不同催化剂的CORR稳定性测试。在不同催化剂的CORR测试中，b C2+产物的FE、c 乙醇的FE，和d乙烯的FE。
总的来说，作者通过简单的一锅法，制备了疏水性的Cu/Cu2O催化剂。该催化剂在2.0 M KOH电解质中，对CO电还原生成C2产物表现出良好的选择性（93.5%的FE）。所报道的乙醇FE（68.8%）超越了之前报道的所有催化剂的性能。在100小时稳定性测试中，该疏水催化剂仍能稳定保持出色的 C2+ FE。根据实验结果和DFT计算，作者证明，合适的疏水性和Cu2O（111）的暴露是CO电还原高选择性和出色稳定性的关键因素。作者预计，在以更高选择性和更节能的方式将CO转化为乙醇方面，这项工作具有巨大的潜力。作者还认为，修饰表面疏水性的方案可用于制备其他高效的电催化剂。
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