近日，國際知名學(xué)術(shù)期刊《Angewandte Chemie International Edition》以“Retained Oxygen Regulation in Oxide-Derived Copper for Promoted CO₂ Electroreduction Towards Multi-Carbon Products”為題，在線報(bào)道了我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)在氧化物衍生銅基二氧化碳轉(zhuǎn)化材料領(lǐng)域的最新研究成果。

電化學(xué)二氧化碳轉(zhuǎn)化制取綠色燃料和化學(xué)品為緩解間歇性可再生能源存儲(chǔ)提供了一種具有前景的解決方案。目前，大量催化材料已被開發(fā)用于將CO₂轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物，包括一氧化碳（CO）、甲酸鹽，以及多碳產(chǎn)物（C₂₊）如乙酸、乙醇、乙烯和丙醇等。銅基材料因其催化活性和選擇性可調(diào)的結(jié)構(gòu)特性，被廣泛視為選擇性制取C₂₊產(chǎn)物的主要催化材料體系。在眾多銅基催化劑中，氧化物衍生銅（OD-Cu）因其對(duì)高價(jià)值C₂₊產(chǎn)物的優(yōu)異選擇性脫穎而出，這種特性源于其電化學(xué)原位重構(gòu)過程所產(chǎn)生的一系列特征結(jié)構(gòu)，例如：豐富的晶界、欠配位銅位點(diǎn)、Cu⁰/Cu^δ+界面、表面吸附羥基以及殘留氧物種等。尤其是OD-Cu中殘留的氧元素已被證實(shí)可促進(jìn)CO₂的吸附、活化和選擇性轉(zhuǎn)化。

針對(duì)這一關(guān)鍵問題，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院清潔能源材料與器件團(tuán)隊(duì)以CuO納米片為模型材料，探究了厚度對(duì)OD-Cu殘余氧的影響。當(dāng)CuO納米片厚度降至1.6 nm時(shí)，氧保留能力顯著增強(qiáng)，在300-700 mA cm^-2的寬電流密度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了約80%的C₂₊產(chǎn)物法拉第效率（FE），并在700 mA cm^-2條件下達(dá)到84.6%的C₂₊產(chǎn)物選擇性峰值。研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)CuO納米片材料進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)研究，闡明了納米片厚度對(duì)調(diào)控OD-Cu殘留氧的關(guān)鍵作用：分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，隨著氧脫除層數(shù)增加，工況還原過程中Cu-CuO結(jié)構(gòu)的底層氧原子難以向外部擴(kuò)散，這種特性有效促進(jìn)了*CHO中間體形成以及后續(xù)的*OC-CHO偶聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)而提升了C₂₊產(chǎn)物選擇性；結(jié)合結(jié)構(gòu)表征、電化學(xué)分析以及相關(guān)原位表征結(jié)果，發(fā)現(xiàn)重構(gòu)堆疊的Cu-CuO納米片結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)氧保留能力和易再氧化的金屬銅位點(diǎn)，這種協(xié)同效應(yīng)優(yōu)化了OH^-吸附和*CO富集，顯著促進(jìn)了C₂₊產(chǎn)物生成。該研究工作不僅為設(shè)計(jì)高效OD-Cu催化劑以實(shí)現(xiàn)CO₂電還原制取多碳產(chǎn)物提供了重要理論依據(jù)，同時(shí)揭示了氧保留效應(yīng)在CO₂電還原反應(yīng)過程對(duì)催化性能的影響機(jī)制。

該工作主要由材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生王歡在劉鵬飛副教授、袁海洋副教授、楊化桂教授等人的指導(dǎo)下完成。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究特區(qū)等項(xiàng)目資金的支持。

文獻(xiàn)鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202423889