近期中山大学廖培钦教授课题组在Chin Chem Lett发表文章，题目：Efficient electroreduction of CO2 to acetate with relative purity of 100% by ultrasmall Cu2O nanoparticle on a conductive metal-organic framework，doi: 10.1016/j.cclet.2024.110473.第一作者为博士生李芷欣。
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在电化学CO2还原反应（eCO2RR）中，实现高效、低能耗的醋酸盐生产一直是一个重大挑战。现有的催化剂不仅能耗高，而且醋酸盐产品的相对纯度也不尽如人意。最近，廖培钦课题组报道了一种超小的Cu2O纳米粒子（平均尺寸为2.5 ± 0.09 nm），这些纳米粒子固定在导电的铜基金属-有机框架（Cu-THQ）上（表示为Cu2O@Cu-THQ），在极低的电位-0.3 Vvs. RHE下，实现了65%的法拉第效率，电流密度达到10.5 mA/cm²。重要的是，除了醋酸盐，没有其他液态相产品，如甲酸盐、甲醇或乙醇，因此获得的醋酸盐产品的相对纯度高达100%。考虑到液态产品的相对纯度、电流密度和能耗，Cu2O@Cu-THQ对CO2电还原为醋酸盐的性能不仅远高于商业Cu2O纳米粒子，而且也高于所有已报道的催化剂。原位红外光谱和理论计算表明，Cu-THQ和Cu2O之间的协同效应促进了eCO2RR产生醋酸盐。
图1 Cu2O@Cu-THQ电催化二氧化碳还原示意图
研究中发现，Cu2O@Cu-THQ催化剂中的超小Cu2O纳米粒子和Cu-THQ之间的协同效应，极大地促进了eCO2RR产生醋酸。特别是，Cu-THQ中有机配体THQ上的羟基与吸附在Cu2O上的关键C2中间体形成了氢键相互作用，这在稳定关键C2中间体和降低关键C2中间体的形成能方面发挥了关键作用。
图2 Cu2O@Cu-THQ的电催化二氧化碳性能
此外，通过原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱（in-situoperando ATR-FTIR）和吉布斯自由能计算，进一步阐明了醋酸反应路径中间产物与释放的THQ配体之间的氢键相互作用的重要性。
图3 反应机理探究
这项工作不仅为设计高效电催化剂提供了新的思路，也为通过氢键稳定关键中间体、提高电流密度以及在eCO2RR中调节高附加值C2产品的选择性提供了有效的策略。
【作者简介】
廖培钦，中山大学化学学院，教授，博士生导师。入选2018年度国家级青年人才项目。2016年07月至今，工作于中山大学化学学院陈小明院士研究团队。长期致力于金属有机框架（MOF）的设计、合成、催化和相关机理研究，并取得不少创新研究成果，目前与合作者一起发表SCI论文80余篇，论文累计被SCI他引7000余次，10篇论文入选ESI高被引/热点用论文，H指数为42。https://webofscience.clarivate.cn/wos/author/record/C-6724-2015。
