香港科技大学邵敏华团队EcoMat：微波辅助策略实现CO2RR氧化物衍生铜纳米片催化剂的简易合成

一、【导读】

快速的工业化和经济增长引起了化石燃料的巨大消耗，并释放了大量的二氧化碳（CO₂）进入大气层，从而加剧了全球变暖和气候变化。通过电化学方法将CO₂还原（CO₂RR）转换为各种增值化学品，是碳捕获与利用的最有前途手段之一。CO₂RR的产物种类繁多，与一氧化碳和甲酸等C₁产物相比，乙烯、乙醇和丙醇等C₂₊产物具有更高的能量密度和附加值。然而，由于CO₂RR的反应机理复杂，对单一产物的低选择性仍然是瓶颈问题。作为唯一能够产生C₂₊产物的铜基催化剂，调控其表面结构对优化调控关键中间体的催化反应途径至关重要。在各类铜基纳米催化剂中，尽管氧化物衍生铜（OD-Cu）在利用CO₂RR制备碳氢化合物中展示出优异性能，但目前报道的制备工艺如等离子体照射、空气氧化、电解抛光等手段较为复杂且难以控制，急需一种高效制备OD-Cu纳米催化剂的简便方法。

二、【成果掠影】

在此，香港科技大学邵敏华教授和葛婧捷博士（共同通讯作者）等人开发了一种简单的微波辅助方法来合成氧化物衍生的Cu纳米片（OD-Cu NS），并揭示了Cu的氧化态能够通过改变Cu前驱体量来控制。值得注意的是，纳米级Cu结构的形成会影响OD-Cu NS的表面粗糙度。结果显示，在中性KHCO₃溶液中，部分氧化的Cu表面对C₂₊产物表现出高达72%的法拉第效率（FE），其部分电流密度为55 mA cm^-2。更重要的是，由此得到的OD-Cu NS，通过强结合能促进了CO₂分子解离，以及通过增大的电化学表面积促进了C₂₊化合物制备，显示出协同作用。本文也为设计高效的CO2RR OD-Cu催化剂提供了新的思路。

相关研究成果以“Facile design of oxide-derived Cu nanosheet electrocatalyst for CO₂ reduction reaction”为题发表在EcoMat上。

三、【核心创新点】

1.本成功开发了一种由微波辐照方法制备氧化物衍生Cu NSs的策略，其中Cu前驱体促进了粗糙表面的形成；

2.由本文提出的催化剂实现C₂₊产物高达72%的法拉第效率，其部分电流密度为55 mA cm^-2。

四、【数据概览】

图1 材料的物理性质表征。

（A-D）CuO NS、OD-Cu NSs Cu-30和Cu-100的透射电镜（TEM）图像；

（E）CuO NS、Cu-30和Cu-100的XRD图谱。

图2 商业化Cu NP、CuO NS、Cu-30和Cu-100的Cu 2p_2/3和Cu LMM Auger区域的XPS光谱。

图3 商业化Cu NP、CuO NS、Cu-30和Cu-100的电化学CO₂RR性能。

（A）Cu-30在CO₂-和Ar-饱和的0.1 M KHCO₃电解液中，电解1h后的LSV曲线；

（B）在1.1V的电位下整体法拉第效率（FE）；

（C）整体C₂₊产物的部分FE。

图4 NS电解后的物理化学性质。

（A，B）在CO₂饱和0.1 M KHCO₃电解液中的双层电容，以及商业化Cu NP、CuO NS、Cu-30和Cu-100在Ar饱和0.1 M KHCO₃电解液中的LSV曲线和得到的OH_ads峰；

（C）电解Cu-30 1h后的XPS光谱。

五、【成果启示】

综上所述，本文开发了一种简便的微波辐照方法来制备氧化物衍生的Cu NSs，其中额外添加的Cu前驱体产生了粗糙的表面，其纳米结构域沉积在原始Cu NSs上。同时，在Cu-30的XPS光谱上可以明显地观察到部分氧化的Cu⁺价态，且由于较大的表面积和Cu⁺的存在，Cu-30的FEC₂₊可提高到72%，C₂₊产物的部分电流密度可达55 mA cm^-2。因此，这种简便的微波辅助制造方法将为高效设计氧化物衍生Cu催化剂，利用CO₂RR高效合成C₂₊产物提供了重要方向。

文献链接：“Facile design of oxide-derived Cu nanosheet electrocatalyst for CO₂ reduction reaction”（EcoMat，2023，10.1002/eom2.12334）

本文由材料人CYM编译供稿。