北理工團隊在同步輻射原位光譜揭示亞穩態電荷不對稱Cu2-CuN3團簇電催化CO2還原制乙醇方面取得研究進展
發布日期：2022-03-15 供稿：材料學院 陳文星
編輯：牟雪嬌 審核：金海波 閱讀次數：3月11日，《Nature communications》 在線發表了題為“Complementary Operando Spectroscopy identification of in-situ generated metastable charge-asymmetry Cu2-CuN3 clusters for CO2 reduction to ethanol”的研究文章。使用可持續能源將二氧化碳電化學轉化為增值產品是環保且經濟的方法。然而，復雜的產物選擇性限制了二氧化碳減排的發展和應用。銅基材料是二氧化碳還原為多碳產物的有效催化劑，活性位點的局部結構和電子狀態的揭示對研究CO2轉化為C2+產物的反應途徑和催化機制具有重要意義。由于多維度對反應系統進行原位監測的研究較少，電催化劑的原子構效關系對活性和選擇性的影響機制尚不明確。該論文合成了由負載在N摻雜的碳納米片上的 CuO簇組成的高性能CO2RR催化劑，該催化劑在-1.1V vs. RHE下，表現出51% 的乙醇法拉第效率。論文作者揭示了反應條件下催化劑的重組并跟蹤了其活性狀態的變化，從實驗和理論上闡釋了催化界面處的原子構效關系。Operando XAS、XANES模擬和準原位XPS分析確定了從分散的CuO簇到作為最佳位點的亞穩態電荷不對稱Cu2-CuN3簇的可逆的電位依賴性轉變。通過調節Cu原子和N摻雜碳界面之間的電荷分布保持Cun簇優異的穩定性和高活性。通過結合 Operando FTIR 和 DFT理論計算，發現Cu2-CuN3簇表現出電荷不對稱位點，CH3* 吸附增強了這些位點，有利于高效不對稱乙醇的形成。
文章的通訊作者為北京理工大學陳文星助理教授和中國科學院上海高等研究院王宇研究員。本研究得到了國家自然科學基金青年項目、北京理工大學人才引進啟動項目、中科院青年創新促進會、上海同步輻射裝置運行研究項目、中科院大型科學裝備維修改造項目、國家重大科研儀器研制項目、中科院合肥科學中心卓越用戶計劃等的支持。
圖1 催化劑的Operando XAFS表征圖及基于Operando XAS和準原位XPS分析的催化活性Cun-CuN3簇的可逆形成方案（紅褐色，O；灰色，C；紫色，N；藍色，Cu與N和Cu鍵合；綠色，Cu只是與Cu鍵合）
文章信息：Su, X., Jiang, Z., Zhou, J. et al. Complementary Operando Spectroscopy identification of in-situ generated metastable charge-asymmetry Cu2-CuN3 clusters for CO2 reduction to ethanol. Nat Commun 13, 1322 (2022).
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29035-8
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