上海高研院董笑、魏伟&陈为Angew.：晶格应变Cu透散电极用于酸性体系中安培级CO2电还原制多碳

▲共同第一作者：李守杰、吴钢锋、毛佳宁

共同通讯作者：董笑、魏伟、陈为

通讯单位：中国科学院上海高等研究院，中国科学院大学，上海科技大学

论文DOI：10.1002/ange.202407612 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

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近日，来自中国科学院上海高等研究院的魏伟、陈为研究团队在前期铜中空纤维透散电极（Cu HPE）电催化CO₂还原（eCO₂RR）生成多碳（C₂₊）产物的基础上，进一步通过湿化学/电化学法在铜透散电极基底上原位构建富含晶格应变的纳米片铜（NSL-Cu HPE），晶格应变效应与气体透散效应协同作用促使铜透散电极在中性和酸性介质中均能高效、稳定转化CO₂为C₂₊产物 (图1)。

图1. NSL-Cu HPE酸性体系电还原CO₂制多碳示意图

背景介绍

发展可再生电能驱动CO₂与水反应合成碳基燃料或高价值化学品的新技术对于解决温室效应与消纳可再生能源具有重要意义。目前，电催化CO₂还原制多碳（C₂₊）产物被认为是具经济竞争力和发展前景的策略之一。在酸性电解水液中电还原CO₂可消除由于高电流密度下碳酸盐形成导致的CO₂损失，但面临着较为严重的析氢副反应，且目标C₂₊产物选择性低下。因此发展高性能电极材料实现酸性体系下CO₂向C₂₊产物高效转化是CO₂资源化利用的重要研究方向。

图文解析

要点1：由商品铜粉通过相转化法制得铜中空纤维透散电极，进一步通过湿化学/电化学法在铜透散电极基底上原位构建分层次铜纳米片，获得了富含晶格应变的纳米片铜包覆的铜透散电极 (NSL-Cu HPE) (图2)。

图2. 纳米片包覆的铜中空纤维透散电极结构表征

要点2：NSL-Cu HPE在中性和酸性介质中均能高效、稳定转化CO₂为C₂₊产物（总电流密度>3.5 A cm^-2, C₂₊产物法拉第效率>80%），显示出优异的电还原CO₂生成C₂₊产物能力(图3)。

图3. 晶格应变铜中空纤维透散电极酸性电解液中的电催化性能

要点3：电化学实验，原位光谱与理论计算结果表明，NSL-Cu HPE上的拉伸应变调节了其表面电子结构，增强了其对*CO的吸附，加速了H₂O的解离，为*CO加氢提供了足够的质子。因此，*CHO和*CO的不对称C-C偶联增强，促进了C₂₊产物和C₂₊醇的生成(图4)。

图4. 晶格应变效应的理论计算

总结与展望

该研究不仅发展了一种简易方法来构建具有晶格应变的eCO₂RR生成C₂₊产物的高效催化剂，而且还展示了中空纤维透散电极在实际应用中的巨大潜力，有望为中空纤维透散电极eCO₂RR生产C₂₊产物的实际应用拓展道路。

作者介绍

通讯作者介绍：

董笑，中国科学院上海高等研究院副研究员。长期从事CO₂资源化利用、电催化转化等研究，主要科研方向包括CO₂电化学还原新体系研发、中温固体氧化物燃料电池材料开发及中空纤维气体透散电极工程化应用，重点攻克了电极放大定型与高度集约装配等技术难题。主持/参与中国科学院战略先导专项、科技部催化科学重点项目、内蒙科技重大专项、国家能源集团技术开发项目等。在Nat. Comm., Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B-Environ.等SCI期刊上发表论文30余篇，申请发明专利10余项，授权5项。

魏伟：中国科学院上海高研院研究员，博士生导师，现任中国科学院上海高等研究院副院长。主要从事C1化学与工程、温室气体战略以及CO₂捕集封存和利用、纳米材料合成与应用等研究。承担并完成国家科技支撑计划2项、国家973项目1项、中国科学院战略性先导科技专项3项、中国科学院知识创新工程重要方向2项以及企业委托项目等十余项。目前在重要学术杂志，如Nature，Nat. Chem.，Nature Geosci.，Nat. Commun.，Joule，Energ. Environ. Sci.，Angew. Chem. Int. Ed. 等发表高水平论文400余篇，已授权或申请国际发明专利3项、国家发明专利80余项，获中国石油天然气集团创新技术二等奖。曾荣获第13界国际催化大会优秀青年科学家奖等，享受国务院政府特殊津贴。兼任国际碳捕集领导小组成员；同时担任《化工进展》、《气候变化研究导报》、《天然气化工》、《光谱学与光谱分析》等学术期刊的编委。

陈为，中国科学院上海高研院研究员，博士生导师，中国科学院百人(A类)、上海市优秀学术带头人。聚焦于CO₂电催化高效转化的基础与应用研究，以第一（通讯）作者在Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc. (4 篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (4 篇) 等发表论文80余篇，他引7000余次；已获授权专利15件。作为项目负责人承担基金重大项目、国家重点研发计划项目、中国科学院、地方及企业委托项目等十余项。曾获“全国百篇优秀博士学位论文”、“辽宁省自然科学一等奖”等奖项。

第一作者介绍

李守杰，中国科学院上海高等研究院助理研究员。2022年6月毕业于上海科技大学获得博士学位。主要从事二氧化碳光电催化转化等研究。作为项目负责人主持了包括国家自然科学基金项目（青年基金）、上海市科学技术委员会“扬帆计划”等科研项目；作为核心骨干参与了包括国家自然科学基金项目、中国科学院前瞻战略科技先导专项（A 类先导专项）、国家重点研发计划“催化科学”重点专项、上海市2023年度“科技创新行动计划”科技支撑碳达峰碳中和项目、内蒙古自治区科技重大专项、企业委托项目等科研项目。以第一作者在Nat.Commun.（2篇）; Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）；Small; Appl. Catal. B-Environ.等重要学术期刊上发表SCI论文7篇。