近日🫃，環化學院羅穩副教授與其合作者在國際高水平期刊《Advanced Energy Materials》和《Cell Reports Physical Science》上分別發表題為“Enhanced electrocatalytic CO2 reduction to C2+ products by adjusting the local reaction environment with polymer binders”（封面論文，圖1）和“Tandem effect of Ag@C@Cu catalysts enhances ethanol selectivity for electrochemical CO2 reduction in flow reactors”的研究論文🏊🏼。
圖1《Advanced Energy Materials》論文封面
電催化還原CO2（CO2RR）可以將溫室氣體CO2轉化為乙烯🚶🏻➡️、乙醇等高附加值化學品🔹。該技術既能夠實現CO2的資源化利用🧔🏼♂️，還能夠將可再生電能存儲為化學能👩🏽🏭，是實現碳達峰碳中和的重要路徑。但是將CO2電催化轉化為多碳產物（C2+，如乙醇、乙烯等）涉及多電子還原反應過程🪛✔️，存在轉化路徑復雜、選擇性難以調控等科學問題🧑💼。目前的研究大多通過開發🛜、改性催化劑來提高CO2RR的性能🙍🏻。但是對催化反應而言，影響其活性和選擇性的因素不僅有催化劑🕺，還有反應物比例、傳質和反應微環境等其他因素。由於析氫是CO2電還原的副反應🙋🏻♀️，因此通過調控微反應環境來改變反應物（CO2🧑🏽🦱、H2O）和中間體的濃度可以成為提高CO2RR性能的重要手段。
粘結劑是催化劑中不可缺少的組分，其分子結構決定了憎水和親水性，而電極的憎水性是決定其表面微環境（CO2濃度和H2O供應）的重要因素。Nafion是目前最常用的粘結劑（其分子結構中既有憎水的氟化碳鏈，又有親水的磺酸基）👨🏽🍼，但是卻很少有研究關註Nafion是否為最佳的粘結劑，以及粘結劑如何影響CO2RR性能👩🏿🦰。鑒於此🐽，作者選用了三種具有不同憎水性的聚合物（PAA🚣🏻、Nafion和FEP）作為粘結劑🧀，用CuO納米線作為催化劑，揭示了粘結劑憎水性對電極表面微反應環境的影響，建立了憎水性與C2+產率的關系；發現憎水性聚合物（如FEP）可以提高反應物CO2和反應中間體CO的局部濃度，因此提高催化性能；最終在流動電解池中實現了C2+產物77%的法拉第效率和600 mA cm-2偏電流密度（圖2）。
圖2 Cu-PAA💧🎥，Cu-Nafion和Cu-FEP三種催化劑在H-型池（a）和流動池（c）中不同電位下的C2+產物法拉第效率𓀇🧑🏿🔧。在H-型池（b）和流動池（d）中C2+產物和H2的法拉第效率和總電流密度隨電極憎水性的變化👃🏻。
到目前為止，Cu是唯一具有可觀的C2+選擇性的金屬催化劑。研究表明，向Cu基催化劑中引入其他金屬（如Ag），可以進一步提高乙醇和乙烯選擇性🍈，但其催化機理仍存在爭議。一種觀點認為，這主要是Ag和Cu的界面在起主要作用；而另一種觀點則認為，Ag和Cu可以實現串聯作用，即Ag將CO2還原為CO🙍🏽♀️🙏🏿，而Cu則進一步將CO還原為C2+產物。因此，揭示Ag-Cu催化劑在CO2RR中的作用機製對於開發高效雙金屬催化劑具有至關重要的作用。鑒於此，作者合成了一種具有串聯結構的Ag-Cu雙金屬催化劑，即Ag@C@Cu核殼納米顆粒𓀎🤏🏿，其中碳層的存在既阻止了Cu和Ag的直接接觸，又保證了催化劑的導電性和串聯作用。利用此催化劑😩，作者揭示Ag和Cu之間的串聯作用更傾向於將CO2電還原為乙醇而非乙烯🤗；並且通過調控Cu殼層的厚度，實現了對乙醇選擇性的優化，獲得了32%的乙醇法拉第效率（圖3）。
圖3 Ag@C@Cu電催化還原CO2至乙醇的反應機理。
上述工作由万事平台和瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）合作完成🎨，羅穩副教授為論文唯一通訊作者，万事平台為通訊單位。
論文一鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202103663
論文二鏈接：https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/abstract/S2666-3864(22)00230-2
