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电化学CO₂还原为高价值化学品，如乙烯，面临选择性和产率难题。本研究通过构建氰胺配位的单原子Cu⁰-Cu¹⁺双位点框架，设计出高效的CO₂电还原催化剂，实现了乙烯的高选择性产出。这一策略显著提高了碳-碳偶联效率，突破了现有催化剂在高电流密度下的稳定性和选择性瓶颈。
成果简介
研究展示了稳定的Cu⁰-Cu¹⁺双位点催化剂（Cuδ⁺NCN）在CO₂还原为乙烯反应中的卓越性能。Cu⁰促进CO₂的活化，而Cu¹⁺则增强了*CO物种的吸附和碳-碳偶联，显著降低了反应自由能，乙烯的法拉第效率达到77.7%，并且在400 mA cm⁻²电流密度下稳定运行80小时。
研究亮点
Cu⁰-Cu¹⁺双位点: Cu⁰位点负责CO₂的活化，Cu¹⁺位点促进*CO物种的吸附和碳-碳偶联反应。
高选择性: Cuδ⁺NCN在400 mA cm⁻²电流密度下，实现了乙烯77.7%的法拉第效率，远超多数现有催化剂。
长期稳定性: 该催化剂在80小时的操作中保持高选择性和稳定性，展现了实际应用的潜力。
独特的氰胺框架: 氰胺框架通过σ-电子供给效应，增强了Cu位点的电子局域化，保持了Cu⁰-Cu¹⁺的共存。
配图精析
图1: Cuδ⁺NCN催化剂的结构表征，包括XRD图谱和SEM/TEM图像，展示了氰胺框架的晶体结构和纳米片形貌。
图2: Cuδ⁺NCN的电子结构表征，EXAFS和XANES表明Cu⁰和Cu¹⁺位点的共存及其稳定性。
图3: CO₂还原反应的电化学性能，包括不同电势下乙烯生成的法拉第效率和电流密度。Cuδ⁺NCN在−1.4 V vs. RHE时表现出最高乙烯选择性。
图4: 操作过程中XANES和Raman光谱表明Cu⁰-Cu¹⁺位点如何在不同电位下保持稳定，促进CO₂的还原。
图5: 基于DFT的反应路径模拟，揭示了Cu⁰-Cu¹⁺双位点如何降低反应中间体的生成能垒，从而促进乙烯的生成。
展望
本研究通过设计氰胺框架稳定Cu⁰-Cu¹⁺双位点，显著提升了CO₂还原为乙烯的选择性和稳定性。未来，这一策略有望应用于高效电催化CO₂还原的工业化设计，为碳捕集与利用提供了新方向。
文献信息
标题: Stabilized Cu⁰-Cu¹⁺ Dual Sites in a Cyanamide Framework for Selective CO₂ Electroreduction to Ethylene
期刊: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-024-52022-0
原文链接: https://doi.org/10.1038/s41467-024-52022-0
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