研究背景
催化劑的表面結構對電化學CO2還原反應的性能影響顯著。然而，施加電壓導致的重構會影響表面結構，且難以控制。這里，中國科學技術大學吳宇恩、周煌等人受到具有緩釋結構的藥物膠囊的啟發(fā)，在金屬氧化物催化劑上構建了水溶性碳酸鹽殼。這層殼體作為保護涂層，有效減緩了催化劑在施加電場下從高價態(tài)向低價態(tài)的表面演變過程。因此，通過調(diào)節(jié)殼體厚度和溶解速率，可以調(diào)控表面重構，促使形成豐富的低配位結構。這一策略能夠促進生成具有豐富晶界和小顆粒的Cu(0)。在2.0?A?cm?2的電流密度下，C2+法拉第效率達82.8?±?2.2%，超過了傳統(tǒng)CuO催化劑的性能。外部和原位表征表明，這些生成的表面結構增強了*CO中間體的穩(wěn)定性和C–C耦合。作者調(diào)控表面重構的策略可應用于其他催化劑，如ZnO、In2O3、SnO2和Bi2O3，提升它們對CO和甲酸的選擇性。
研究亮點
（1）實驗首次在金屬氧化物催化劑表面構建水溶性碳酸鹽殼（K2CO3），實現(xiàn)了對電化學CO2還原反應（CO2RR）催化劑表面重構的調(diào)控。這一創(chuàng)新設計靈感來源于藥物的緩釋膠囊，利用該殼體延緩催化劑的表面演變過程。（2）實驗通過調(diào)節(jié)碳酸鹽殼的厚度和溶解速率，成功實現(xiàn)了催化劑表面由高價態(tài)向低價態(tài)的可控轉變，促進了豐富低配位結構的形成，從而提升了催化劑的活性。具體表現(xiàn)為，涂覆有2.0 nm K2CO3的CuO納米晶體在2.0 A cm?2的電流密度下，達到了82.8 ± 2.2%的C2+法拉第效率，顯著超越了傳統(tǒng)CuO催化劑。（3）外部電子顯微鏡和原位光譜表征結果顯示，K2CO3涂層延長了催化劑的重構速率，并有助于形成富含晶界和小顆粒的Cu(0)晶體，增強了*CO中間體的穩(wěn)定性及C–C耦合反應。
圖文解讀
圖4：CuO@K2CO3催化劑在CO2RR過程中重構的外部和原位表征。圖5：增強C2+產(chǎn)物機制的原位拉曼光譜和密度泛函理論（DFT）計算。圖6：ZnO@K2CO3和In2O3@K2CO3的表征及其CO2RR性能。
總結展望
受到藥物膠囊的啟發(fā)，本研究開發(fā)了一種碳酸鹽緩釋策略，成功調(diào)控了催化劑在二氧化碳電還原中的重構。設計的碳酸鹽緩釋殼能夠減緩金屬氧化物的重構速率，從而有效促進低配位金屬表面物種的形成，提升二氧化碳電還原的反應活性和選擇性。在CuO@K2CO3催化劑中，C2+法拉第效率達到82.8?±?2.2%，電流密度為2.0A?cm?2。這種方法還可擴展到其他催化劑，包括ZnO、In2O3、SnO2和Bi2O3，顯著提高了它們對一氧化碳和甲酸的選擇性。作者的研究為催化劑表面結構重構的精確調(diào)控提供了一種通用策略，并推動了二氧化碳電還原的工業(yè)整合。Ma, X., Yang, T., He, D. et al. Carbonate shell regulates CuO surface reconstruction for enhanced CO2 electroreduction. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00672-9
