铜配合物衍生铜-氧化亚铜催化剂的原位电合成及其对二氧化碳电还原制备C2产物催化性能的研究

刘志敏

中国科学院化学研究所，北京分子科学国家研究中心，中国科学院胶体、界面与化学热力学重点实验室，北京 100190

电催化剂制备及CO2还原过程。

二氧化碳(CO2)是主要的温室气体，同时也是廉价、无毒、丰富、可再生的C1资源1。将CO2转化为高附加值化学品具有碳资源合理利用和环境保护双重意义，近年来引起国内外的广泛关注。然而，由于CO2热力学稳定、动力学惰性，其转化利用存在热力学和动力学的双重难题。采用电化学方法将CO2转化为液体燃料和高附加值化学品，是具有重要应用前景的技术路线之一2。随着可再生电能发电量不断增加，可以利用可再生电源将CO2转化为化学品和燃料，符合可持续发展的要求。目前，CO2电催化还原产物主要为C1产物，如CO、甲酸、甲醇等3-5。由于C-C偶联在电催化还原CO2过程中很难实现等原因，将CO2转化为C2产物比转化成C1产物难度大得多。开发高效的电催化剂，在低起始电位、低过电位、高电流密度和高法拉第效率下将CO2转化为C2产物具有重要意义，但也是一个难题。

近日，中国科学院化学研究所韩布兴课题组在Nature Communications上发表题为《铜配合物衍生铜-氧化亚铜催化剂的原位电合成及其电催化转化二氧化碳为C2产物的研究》的文章6。他们首先采用电合成的方法在铜基底上生长铜配合物，在CO2电还原过程中铜配合物很快原位变成三维树枝状结构的铜-氧化亚铜复合物。这种原位生长的催化剂对于CO2还原为C2产物(乙酸和乙醇)具有优异的催化性能。在施加电位为-0.4 V vs RHE条件下，C2产物的法拉第效率可达到80%，电流密度为11.5 mA·cm-2，乙酸和乙醇的过电位仅分别为0.53 V和0.48 V。

他们采用多种手段对催化材料具有优异性能的原因进行深入研究。结果表明，此类催化剂的突出性能主要源于三个方面。一是这种方法制备的电催化剂在铜基底上原位生长，因此催化材料和铜基底之间接触电阻很小，这有利于提高电子的传输，降低过电位和施加的电压；二是原位生成的Cu(I)/Cu(0)具有3D树枝状结构，这种结构有利于充分暴露催化剂的活性位点，因此催化剂的活性很高、过电位低，同时3D结构使得中间产物在催化剂中停留更长的时间，有利于较大分子的生成；三是Cu(I)/Cu(0)表面之间的协同作用有效促进CO2活化及C-C偶联，这有利于提高C2产物的高选择性。这种在基底上原位生成金属络合物，络合物进一步原位电还原演化为催化材料的方法对CO2电还原高效催化剂设计具有借鉴意义，这一方法可以用于制备一些其他CO2电还原材料。这一工作得到了国家重点研究计划、国家自然科学基金委等部门的经费支持。