中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)高敏銳教授課題組合成一系列暴露不同銅(100)和銅(111)晶面比例的銅催化劑，發(fā)現(xiàn)銅(100)/銅(111)的界面位點(diǎn)相比于單一的晶面展現(xiàn)了顯著增強(qiáng)地催化碳-碳電化學(xué)耦聯(lián)性能，對于利用二氧化碳制備多碳燃料具有重要意義。相關(guān)成果日前發(fā)表于《美國化學(xué)會志》。

銅(100)/銅(111)展現(xiàn)碳-碳耦聯(lián)催化優(yōu)越性示意圖。中國科大供圖

電催化二氧化碳還原制備高附加值化學(xué)品，是二氧化碳資源化利用的有效手段。近年來，科學(xué)界通過電催化二氧化碳制備能量密度高、應(yīng)用前景廣闊的多碳燃料取得很大進(jìn)展，但其選擇性和轉(zhuǎn)化效率仍不盡人意。這主要由于二氧化碳轉(zhuǎn)化為多碳燃料需經(jīng)歷動力學(xué)緩慢的碳-碳耦聯(lián)過程。因此，設(shè)計(jì)并創(chuàng)制能高效促進(jìn)碳-碳電化學(xué)耦聯(lián)的催化劑至關(guān)重要。

研究人員利用電化學(xué)測試表明，與其他銅催化劑相比，這種新型銅催化劑在電流密度為每平方厘米100毫安至400毫安時，均能有利于催化二氧化碳到多碳產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。多碳產(chǎn)物的選擇性與銅(100)/銅(111)界面的長度呈現(xiàn)線性相關(guān)，證明該界面為催化碳-碳耦聯(lián)的活性位點(diǎn)。原位拉曼和紅外實(shí)驗(yàn)證明，在銅(100)/銅(111)界面處，能更好吸附中間體，展現(xiàn)更強(qiáng)的碳-碳耦聯(lián)能力。理論計(jì)算進(jìn)一步表明，銅(100)/銅(111)界面處電子結(jié)構(gòu)被優(yōu)化，促進(jìn)了碳-碳耦聯(lián)動力學(xué)。 

該項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了銅原子排列變化形成的特定界面結(jié)構(gòu)能更高效地催化碳-碳耦聯(lián)，降低多碳產(chǎn)物形成過程中的關(guān)鍵步驟能壘，這一成果對于二氧化碳制備多碳燃料的電化學(xué)升級利用具有重要意義。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.1c09508