近日，厦门大学化学院王野&谢顺吉教授团队与程俊教授、中科大姜政教授等合作在CO2电催化还原制乙烯、乙醇等多碳化合物方面取得了重要进展。相关成果以“Roles of copper(I) in water-promoted CO2 electrolysis to multi-carbon compounds”为题于近日发表在Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-024-54282-2)。
精准控制C-C偶联以合成特定的C2+化合物一直是C1化学领域的重要难题。尽管在碱性流动池中将CO2转化为多碳产物可以在安培级电流密度下实现较高的选择性，但在更具实际应用前景的膜电极全电解池中，目前仅能在较低电流密度下达到较高的选择性。在高电流密度下兼顾高能量转化效率、稳定性和法拉第效率，仍然面临巨大挑战。开发高效膜电极催化体系，获得高电流密度、高C2+选择性和高能量效率的“三高”性能，是推动CO2电催化转化利用走向实际应用的关键。
水在CO2电催化还原中扮演着关键角色。在膜电极电解池中，因不使用阴极电解液，水的调控尤为重要。团队设计了具有丰富Cu2O与金属Cu界面(Cu2O-Cu0)的纳米复合催化剂，发现通过阴极共进水可显著提升该催化剂的CO2制乙烯、乙醇性能。在优化的水分压、3.8 V池压和1 A cm-2电流密度条件下， C2+产物(主要为乙烯、乙醇)的法拉第效率和选择性可分别达到80%和83%，C2+产物单程收率达19%。此外，该催化剂的C2+产物能量转化效率高达31%，且在350小时测试过程中表现出良好的稳定性，综合性能优于目前该领域已报道的结果。结合安培级电流密度下膜电极模式的工况XRD、XAS、拉曼光谱表征和同位素示踪等研究，证实了反应过程中Cu+可稳定存在；进一步结合原位拉曼光谱等表征及理论计算，揭示Cu+促进水活化，进而通过促进吸附态CO和CHO的形成来增强它们之间的C-C偶联，促进关键反应中间体OCCHO*的生成。本工作首次提出并证实了Cu+促进水活化和C-C偶联生成C2+化合物的催化作用机制，并发展了一种通过结合水调控和电催化剂设计以提高膜电极电解池中CO2还原制C2+化合物的新策略。
王野教授&谢顺吉教授团队长期致力于C1分子的可控催化研究，近年在CO2电催化还原的基础研究和应用技术开发方面取得了一系列重要进展（Nat. Commun. 2024, 15, 9923; Chem2023, 9, 2161;Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202214959;Chin. J. Catal. 2023, 53, 1;Angew. Chem. Int. Ed.2022, 61, e202213423;Energy Environ. Sci.2021, 14, 37;Chem. Soc. Rev.2021, 50, 12897;Nat. Catal.2020, 3, 478;Nat. Commun. 2019, 10, 892）。
本研究在王野教授和谢顺吉教授的指导下完成。2022级博士生何潇洋、2024届博士毕业生林莉及2019级博士生李湘颖为共同第一作者。2024届硕士毕业生朱敏志参与了部分拉曼表征工作，任斌教授在拉曼表征方面给予了指导。中国科学技术大学姜政教授、中科院上海应用物理研究所梅炳宝博士、孙凡飞副研究员提供了同步辐射表征支持。张庆红教授参与了数据分析和论文修改，程俊教授在理论计算模拟方面给予了指导。研究工作得到国家重点研发计划项目(2022YAF1504603)、国家自然科学基金项目(22121001、22022201、91945301、21972115和22002036)、中央高校基本科研业务费 (20720220008)、福建省科技计划项目(2022L3077)以及嘉庚创新实验室科技项目(RD2020020201)等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-54282-2
王野课题组主页：https://wangye.xmu.edu.cn/
