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近日，我校材料与能源学院夏川教授团队、中国科学技术大学曾杰教授团队、中国科学院大连化学物理研究所肖建平研究员团队联合报道了构筑M1Cu（M = Pb, Bi, In）单原子合金改变Cu基催化剂CO2RR反应路径并高效制备甲酸的研究，其研究结果发表在国际顶级期刊Nature Nanotechnology。电子科技大学/中国科学技术大学联合培养博士后郑婷婷、博士生刘春晓、大连化学物理研究所郭辰曦博士生为共同第一作者，电子科技大学材料与能源学院为第一通讯单位。值得一提的是，该篇论文为电子科技大学在Nature Nanotechnology发表的第一篇以我校为第一通讯单位的研究型论文。
a, Pb1Cu结构示意图；b, Pb1Cu的HAADF图像；c, Pb1Cu的Pb L3-edge EXAFS谱图；d, Pb1Cu催化剂的CO2RR产物分布；e, Pb1Cu催化剂的CO2RR j-V曲线；f, Pb1Cu催化剂的CO2RR稳定性测试.
CO2电还原技术可以利用间歇性可再生能源的剩余电力，将CO2转化为高能量密度燃料和高附加值碳产品，从而将清洁能源的冗余电力以化学能的方式储存起来，是实现“碳达峰、碳中和”战略目标的重要途径。
基于不同的催化剂和反应条件，CO2电还原反应（CO2RR）可以得到多种含碳产物，如甲酸（HCOOH）、一氧化碳（CO）、乙醇和乙烯等。随着产物碳数的增长，得到单分子产物所需电子数增加，反应的能耗也会相应增加，从经济角度考虑，将CO2转化为HCOOH被认为是最有希望实现产业化的路径之一。目前已报道的CO2-to-HCOOH催化剂包含有Bi、Sn、In、Pb和Pd，但其电流效率和产率距达到工业化标准还有很大差距。相比之下，Cu催化活性高且价格低廉，但其反应路径复杂，通常得到CO、烃类及其含氧化合物等混合产物，很难单一选择性到HCOOH。
研究人员先分别合成了含有Pb、Bi、In掺杂的Cu前驱体，然后在CO2RR条件下原位还原为单原子修饰的Cu催化剂。通过球差矫正高分辨透射电镜和X射线扩展边吸收精细结构证明了单原子均匀分布在Cu基底上，此外通过原位X射线近边吸收谱佐证了Cu在原位反应条件下为金属态。随后研究人员发现单原子修饰的Cu催化剂CO2RR选择性偏向HCOOH，其中以Pb1Cu的性能最优：HCOOH法拉第效率（FE）最高可达96%，偏电流密度达800 mA cm-2；此外，当偏电流密度达1 A cm-2时，HCOOH FE仍保持在90%以上。进一步地，为排除液体产物与电解质溶液分离的成本，研究人员基于固态电解质膜电极反应器成功制备了纯HCOOH水溶液，当总电流约300 mA以上时，HCOOH的 FE可保持在90%以上，且连续工作180个小时后HCOOH FE仍保持在85%左右。结合理论计算与原位谱学实验，研究人员证实了金属单原子的引入调节了Cu位点的选择性，使CO2-to-HCOO*路径优先进行，从而抑制了CO的生成和C-C偶联过程的发生。这一工作为CO2RR生成单一产物的Cu基催化剂设计提供了新的思路。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-021-00974-5
编辑：赵海玲 / 审核：林坤 / 发布：陈伟
