哈工大于淼&孙晔团队：在CO2电催化还原方面取得重要进展

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酥鱼 | 编辑

近日，哈尔滨工业大学于淼教授和孙晔教授团队在CO₂电催化还原领域取得了重要进展。针对现有CO₂还原体系普遍存在的能量效率低的问题，通过构建具有ZnO-Cu和Cu-C₆₀双界面的ZnO-Cu-C60催化剂（图1），形成富*H的Cu表面，降低CO₂加氢还原的势垒，在低电压（0.63 V vs. RHE）实现了CO₂向甲醇（CH³OH）的高能量效率转换。

相关成果以Dual-interfacial Electrocatalyst Enriching Surface Bonded H for Energy-efficient CO₂-to-CH₃OH Conversion为题，发表于国际知名学术刊物Advanced Functional Materials（《先进功能材料》）,论文链接https://doi.org/10.1002/adfm.202312970.

电催化CO₂还原反应（CO₂RR）可以在减少碳排放的同时获得高附加值的化学品和燃料，是达成双碳目标的重要技术之一。由于目前电能仍主要依赖化石燃料进而产生CO₂排放，电催化CO₂RR的实际应用意义和前景很大程度上取决于反应的能量效率。然而，电催化CO₂RR的工作主要集中在提高产物收率和选择性上，能量效率一直是该领域被长期忽略的问题。如何在低电压、低能源成本下实现高效的CO₂RR仍然是一个未解决的挑战。

该团队首先利用密度泛函计算预测了Cu-C₆₀界面对于H₂生产的抑制作用，证实Cu表面富*H能促进CO₂加氢反应的自发进行，更有利于CO₂向CH₃OH的转化（图2）。随后，采用逐级组装的策略合成了ZnO-Cu₂O-C₆₀催化剂前驱体（图3），该前驱体在CO₂RR中迅速还原为ZnO-Cu-C₆₀，作为催化剂作用于CO₂向CH₃OH转化。结果表明，在0.63 V vs. RHE应用电位下，对于CH₃OH转化获得了50.5%的能量效率和78.3%法拉第效率（图4）。

图1. 双界面催化剂ZnO-Cu-C60作用于CO2RR的示意图

图2. Cu-C₆₀和Zn-Cu界面自由能计算。（a）Cu-C60界面对H2的裂解能垒；（b）富*H的Cu表面对CO₂还原为CH₃OH的反应能垒：Step I: CO₂-to-*COOH，Step II: *COOH-to-*CO，Step III: *CO-to-*CHO，Step IV: *CHO-to-*CH₂O，Step V: *CH₂O-to-CH₃O*，Step VI: CH₃O*-to-CH₃OH；（c）反应路径示意图和(d)富*H的ZnO-Cu表面CO₂转换为CH₃OH过程的吉布斯自由能。

图3. ZnO-Cu₂O-C₆₀催化剂前驱体表征。（a）合成步骤示意图；（b-e）扫描和透射电子显微镜图；（f-k）元素成像；（l）X射线衍射谱；(m) 拉曼谱; (n) Cu 2p X射线光电子谱。

图4. ZnO-Cu-C₆₀的电催化性能。（a）LSV曲线；（b）不同电位下的还原产物和法拉第效率；（c）不同电位下生成CH₃OH的能量效率；（d）不同催化剂在−0.63 V vs. RHE的法拉第效率和能量效率对比；（e-f）ZnO-Cu-C₆₀与已报道催化剂的法拉第效率和能量效率对比；（g）耐久性评估。

这项工作不仅设计了新型的双界面催化剂，而且提出了通过增加CO₂RR中间体来降低反应势垒以促进反应正向进行的策略。针对电催化CO₂RR能源成本的挑战，提出了提高电催化剂能量效率和催化性能的有效途径，为设计高能效的CO₂RR体系提供了思路和基础。

研究工作得到了国家自然科学基金(51772066, 52073074, 22272041)资助。