科研动态 | 天津大学化工学院Nanoyang团队Nat Commun：电解液添加剂调控铜表面重构助力二氧化碳电化学还原2022.06.08

电化学CO₂还原作为新兴的电催化过程，可实现CO₂的高效转化利用（生成高附加值产品），有利于构建可持续的碳循环体系，加速实现“碳达峰”、“碳中和”目标。天津大学化工学院先进碳与纳米能源实验室（NanoYang团队）联合中国科学院金属研究所先进炭材料研究部，提出了一种利用电解液添加剂实现金属铜原位可控重构的方法，大幅提高了廉价的商用多晶铜电极电化学还原CO₂产甲烷的性能，该简便高效的可控重构策略为电催化剂的开发提供了新思路。在流动电解池中，实现了64%的甲烷法拉第效率和192 mA cm⁻²的偏电流密度，甲烷产率可达0.25 µmol cm⁻² s⁻¹。

电催化CO₂还原过程中，由于铜的内聚能较低，铜原子容易受电化学环境的影响发生迁移从而产生重构。金属铜的这种重构行为所带来的原子构型、配位环境、组分等变化与电催化性能息息相关。一方面，重构过程会使铜基催化剂失去预先设计的特征性结构及活性位点，导致CO₂催化选择性和稳定性的降低。另一方面，始态金属铜经过重构过程也可能产生独特的催化活性位点进而促进CO₂向特定产物的选择性转化。因此，金属铜的重构行为是一把双刃剑，即可能降低也可能提高铜催化剂的电催化性能。如何能够扬长避短，将铜的这种重构行为加以控制，使重构朝着对催化性能有利的方向进行，是设计和制备高性能铜基电催化剂的新方向。

项目团队利用电解液添加剂乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMPA）成功调控了商用多晶铜电极的表面重构，显著提升了其电还原CO₂产甲烷的性能。该表面重构不仅包含EDTMPA诱导Cu表面原子重排，也包含EDTMPA在Cu表面形成吸附层所带来的局域环境重构。项目团队选取EDTMPA作为范例，展现了通过电解液添加剂来调控金属铜表面重构从而提升CO₂电还原性能的可行性。这种添加剂诱导原位可控重构的方法具有广泛的应用前景，未来不仅可以以目标产物为导向发展出更多的CO2电还原添加剂，还有望应用于其它电催化反应中。

      该研究成果《电解液添加剂调控铜表面重构助力二氧化碳电化学还原》于6月7日在线发表在《自然—通讯》（Nature Communications，DOI：10.1038/s41467-022-30819-1）上。天津大学化工学院博士生韩子姗、博士后韩大量、中国科学院金属研究所陈哲为共同第一作者，天津大学化工学院Nanoyang团队翁哲教授、杨全红教授与中国科学院金属研究所尹利长研究员为共同通讯作者。

       原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-30819-1

EDTMPA添加剂实现金属铜原位可控重构提升CO₂还原制备甲烷的性能

Nanoyang课题组