翟天佑/刘友文NC: 活性层与导电层交替堆垛的超晶格助力CO2高选择性电还原

活性层与导电层交替堆垛的超晶格助力CO₂高选择性电还原

第一作者：段君元，刘天阳，赵英鹤

通讯作者：刘友文，李亚飞，翟天佑

单位：华中科技大学

在碳中和目标背景下，利用可再生电力资源的电化学技术实现二氧化碳分子(CO₂)重整制备高值化学品与燃料是“做好碳达峰、碳中和工作”的有效策略之一。设计大规模低成本高效CO₂RR电催化剂以及理解催化机理至关重要。

金属氧化物(如SnO₂, Bi₂O₃和In₂O₃)是一类常见的催化剂，但其在电还原过程中易自还原为零价金属，增强了析氢副反应，从而降低CO₂RR的选择性。由于其氧化状态无法稳定，难以探究金属氧化物在二氧化碳还原中的电催化机理。因此，设计一种既能抗电化学自还原又能具有高二氧化碳还原活性的稳定相是一个富有挑战性的课题。

鉴于此，华中科技大学的刘友文副教授、翟天佑教授团队和和南京师范大学李亚飞教授合作在Nature Communications上发表题为“Active and conductive layer stacked superlattices for highly selective CO₂ electroreduction”重要研究成果，报道了一种金属氧化物和硒化层交替堆垛的超晶格结构用于CO₂高效电还原的研究。

作者利用BiCuSeO超晶格模型有效解决了目前金属氧化物在CO₂RR过程中自发还原为金属导致的宽电位范围内法拉第效率（FE）不高的问题。BiCuSeO超晶格[Bi₂O₂]²⁺ 和[Cu₂Se₂]^2-层交替堆垛而成，其导电的[Cu₂Se₂]^2-层能够快速传导电子，有效地保护活性中心[Bi₂O₂]²⁺层，从而驱动CO₂分子高效转化为甲酸（在-0.4 V~-1.1V的法拉第效率在90%以上）。 

要点一：实现宽电势范围高效产甲酸

在中性的电还原环境中实现了在-0.4 V ~ -1.1 V的宽电势窗口范围内高效地将CO₂电还原为甲酸。

要点二：原位探究CO₂RR反应过程

作者通过原位拉曼光谱检测到了甲酸的关键中间体OCHO*，证实了二氧化碳电还原反应的过程。

CO₂ + e^- = *CO_2-，*CO_2- + H⁺ = OCHO*，OCHO* + H⁺+ e^- = HCOOH

要点三：揭示了二氧化碳电还原过程中超晶格结构演变

作者通过步辐射X射线吸收精细结构光谱、X射线光电子能谱和高分辨电镜等揭示了BiCuSeO纳米片在二氧化碳还原过程中，整体晶体框架能够较好维持，大部分Bi-O保持其独特的氧化态, Cu-Se层转变为Cu-Se-O层。

要点四：阐明活性位点和超晶格催化机制

理论计算显示[Cu₂Se₂]^2-层转变为Cu-Se-O后仍然保持良好的导电功能，[Bi₂O₂]²⁺层中Bi p轨道与OCHO*中的O p轨道重叠，新型的Bi-O配位对OCHO*中间体具有很强的活化和稳定能力。因此，相比HER和 CO的中间体，在BiCuSeO超晶格上形成甲酸中间体OCHO*具有更低的热力学和动力学自由能， BiCuSeO纳米片具有高效转化CO₂制甲酸的活性。

Active and conductive layer stacked superlattices for highly selective CO₂ electroreduction

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29699-2

刘友文  副教授  

刘友文，华中科技大学材料学院副教授，博士生导师。主要从事二维电催化材料的研究。以（共同）第一或通讯作者在Nat. Commun.(1), Angew. Chem. Int. Ed. (6), J. Am. Chem. Soc. (3), CCS Chem. (1), Chem (1), Adv. Mater. (1), Chem. Soc. Rev. (1), Adv. Energy. Mater. (4) 和ACS Nano (2)等上发表论文29篇，IF＞10论文23篇，5篇论文Highly Cited Papers，总引用次数2000余次。并获得中科院院长优秀奖等奖励，Chinese Chemical Letters第四届青年编委。邀请报告10次，受邀讲学2次。

李亚飞 教授  

李亚飞，南京师范大学教授、博士生导师，2006年于重庆大学获得理学学士学位，2011年于南开大学获得博士学位，2011年至2013年在美国波多黎各大学从事博士后研究，2013年10月到南京师范大学开展独立研究工作，2015年获得基金委优秀青年基金和江苏省科技厅杰出青年基金资助，2018年入选万人计划“青年拔尖人才”，长期从事计算化学和计算材料学领域的基础研究工作，截止目前以第一/通讯作者身份在Nat. Chem.、 Sci. Adv.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等期刊发表论文85篇，共被国内外同行引用10700余次，个人h-index为56，入选2019年度科睿唯安全球“高被引科学家”。

翟天佑 教授  

翟天佑, 华中科技大学二级教授，材料成形与模具技术国家重点实验室副主任。主要从事二维光电材料与器件方面的研究工作，以第一/通讯作者在Nat. Electron. (2), Chem. Soc. Rev. (5) ，Prog. Mater. Sci. (2), Adv. Mater. (36), J. Am. Chem. Soc. (4), Angew. Chem. Int. Ed. (10), Nat. Commun. (5), Matter (1), Adv. Funct. Mater. (52), Energy Env. Sci. (2), ACS Nano (11), InofMat (4), Sci. Bull. (8) 等期刊上发表SCI论文200余篇（220篇IF>10），所有论文SCI引用>24000次，H指数83，2015/2018/2019/2020年四次入选全球高被引科学家，是万人计划科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、湖北省创新群体资助对象，曾获国家自然科学二等奖（5/5）、英国皇家化学会会士、中国化学会青年化学奖和湖北青年五四奖章等。