电催化二氧化碳还原(CO2RR)是二氧化碳资源化利用的有效手段，为实现碳达峰与碳中和目标提供了一种有潜力的途径。近年来，随着对CO2RR研究的深入，通过催化转化二氧化碳制备能量密度高、应用前景广阔的多碳燃料（如乙烯、乙醇等）取得很大进展。然而，二氧化碳转化为多碳燃料需经历动力学缓慢的C-C耦联过程。因此，设计并发展能高效促进C-C电化学耦联催化剂对二氧化碳减排和变废为宝利用至关重要。
近日，中国科学技术大学高敏锐课题组控制合成了系列暴露不同Cu(100)和Cu(111)比例的铜催化剂，并发现Cu(100)/Cu(111)界面相比于单一的晶面展现显著地催化C-C电化学耦联优越性（图1）。相关成果近日以“Identification of Cu(100)/Cu(111) Interfaces as Superior Active Sites for CO Dimerization During CO2 Electroreduction”为题发表于《美国化学会志》上（J. Am. Chem. Soc.2022, 144, 1, 259–269）。论文的共同第一作者为中国科大博士研究生吴志征、张晓隆和牛壮壮。
图1.Cu(100)/Cu(111)展现C-C耦联催化优越性示意图。
电化学测试表明，在电流密度为100 ~ 400 mA cm−2时，与其它铜催化剂相比，具有最多Cu(100)/Cu(111)界面的OD-Cu-III催化剂更有利于催化二氧化碳到多碳产物的转化（图2）。例如，在300 mA cm-2的电流密度下，该催化剂展现了74.9±1.7%的多碳产物选择性。研究人员发现，多碳产物的选择性与Cu(100)/ Cu(111)界面的长度呈现线性相关，证明该界面为催化C-C耦联的活性位点。
图2.不同铜基催化剂的CO2RR性能评价。
研究人员发现，在Cu(100)/Cu(111)界面处，其功函更低，有利于更快的电子转移。原位拉曼和红外实验证明，Cu(100)/Cu(111)界面处能更好吸附*CO中间体，展现更强的C-C耦联能力。理论计算进一步表明Cu(100)/Cu(111)界面处电子结构被优化，促进了C-C耦联动力学（图3）。该项研究发现了铜原子排列变化形成的界面结构能更高效催化C-C耦联，降低多碳产物形成过程中的关键步骤能垒，其对二氧化碳制备多碳燃料的电化学升级利用具有重要的意义。
图3.KPFM和原位谱学研究。
相关研究受到国家自然科学基金委、国家重点研发计划、安徽省重点研究与开发计划等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.1c09508
（微尺度物质科学国家研究中心、科研部)
