【48812】我国科大发现铜晶面对二氧化碳复原反响决速步的调控现象

  近来，我国科学技术大学高敏锐教授课题组报导在二氧化碳电复原反响中，铜催化剂的决速步因晶面不同而表现出明显差异，即在铜（100）晶面，C-C偶联是决速步，而在铜（111）晶面，CO与水的质子化是决速步。使用首要露出铜（100）晶面的催化剂，研讨人员在中性介质中完成了72%的乙烯法拉第功率和工业级的部分电流密度，并稳定将CO转化到乙烯超越100小时。相关效果以“Facet-switching of rate-determining step on copper in CO-to-ethylene electroreduction”为题宣布在世界闻名学术期刊《美国科学院院刊》（PNAS2024,121(25):e2400546121）上。

  使用可再生电能将CO2电化学转化制乙烯，在消除温室气体的一起，可完成高价值大宗化工产品乙烯的绿色组成，关于加速我国碳资源高值转化，完成双碳战略目标具有极端严重的推动效果。但是，因为存在法拉第功率低、反响速率低和机理杂乱等问题，使用绿电复原CO2制乙烯等多碳化学品仍面对严峻应战。现在，CO2→乙烯的反响途径仍存在争议，一个中心问题是C-C偶联仍是*CO到*CHO的质子化是决速步仍无结论。说明铜催化剂驱动CO2复原的决速步成为CO2电化学转化制乙烯逐渐开展及终究走向产业化亟需处理的要害难题。

  研讨人员经过等离子体处理战略，在CuO纳米片上营建氧空位，该空位的存在调理了费米能级邻近的态密度，带来较小的功函数。密度泛函理论核算猜测，氧空位的存在有利于*CO吸附，促进催化剂复原进程中Cu（100）的构成。没有氧空位的CuO在复原进程中则倾向生成能量较低的Cu（111）晶面。电镜成果为，复原处理后的样品保存母体催化剂描摹，高分辩透射电镜及电化学氢氧根吸附试验标明，所造成的得的两种催化剂外表别离以Cu（100）和Cu（111）为主。

  研讨人员对在流动池与膜电极系统中对催化剂进行了功能点评，依据成果得出，在500 mA cm−2条件下，Cu（100）为首要露出晶面的催化剂的乙烯法拉第功率为72%（多碳产品法拉第效近90%），远高于Cu（111）为优势晶面的催化剂。

  原位光谱及电动力学试验成果为，在具有不一样主体露出晶面的样品上乙烯的生成具有不一样的反响途径。Cu（100）为优势晶面的催化剂上*CO掩盖度更高、*CO吸附更强且以顶式吸附为主，乙烯转化的决速步是两个*CO的偶联进程；而在首要露出晶面为（111）的催化剂上，乙烯转化的决速步产生的是*CO与H2O分子的质子耦合进程。密度泛函理论核算成果相同佐证了这一试验成果。

  论文的通讯作者是合肥微标准物质科学国家研讨中心高敏锐教授，一起榜首作者为我国科大博士研讨生张玉才、博士后张晓隆、博士研讨生吴志征。相关研讨遭到国家自然科学基金委杰出青年科学基金、国家严重科学研讨方案、安徽省要点研讨与开发方案等项目的赞助。