電催化二氧化碳還原反應（CO2RR）可以通過可再生能源電能將溫室氣體二氧化碳轉化為有價值的化學物質和燃料，對可再生能源的存儲和緩解氣候變化都至關重要，從而吸引了國際研究領域的廣泛關注，其中的關鍵是高效催化材料制備以及相關催化機理。

最近，華中師范大學物理科學與技術學院余穎教授、邱明副教授課題組與美國休斯頓大學任志鋒教授課題組合作，在非典型含氧銅促進電催化還原CO2合成CH4研究方面取得了重要進展，相關成果發表在了化學領國際著名期刊Journal of the American Chemical Society (2020, 142: 11417-11427) 上。華中師范大學物理科學與技術學院為該論文的第一完成單位，論文的第一作者為物理科學與技術學院博士研究生張維。

電催化CO2RR生成高能量密度的多碳醇類或烴類（C2或C2+）產物過程因為可以幫助提高電催化CO2RR的能源效率，從而顯得尤為重要。對于電催化CO2RR生成C2或C2+產物的過程，C-C偶聯反應是非常關鍵的中間決速步驟，這個中間過程需要催化劑的表面牢固地結合*CO中間體，以建立足夠的*CO覆蓋范圍，從而進一步進行*CO二聚。含氧銅結構（含有Cuδ+）被認為是有效進行*CO二聚反應的關鍵，但是由于含氧銅在電催化還原體系中不穩定，以及人們對含氧銅結構認識不足，導致人們對其作用的質疑。因此，準確鑒定含氧銅的結構與作用，從而合理設計出選擇性高、活性好和穩定性強的Cu基催化劑，對于促進電催化CO2還原領域的發展意義重大。

Cu4O和金屬Cu催化還原CO2的不同路徑和產物

為此，電化學原位還原條件下，該課題組研究了非典型含氧銅納米線的結構演變過程，并發現利用具有分級孔和富晶界結構的CuO前驅體成功合成了穩定的非典型含氧銅結構。同時，探索了一系列原位和準原位材料表征技術和方法，包括原位拉曼（Raman）、準原位X-射線光電子能譜（XPS）和原位高能X-射線吸收譜（XAS），并結合非原位表征手段，深入研究了這種非典型含氧銅結構，最終確定其為亞穩態低值氧化銅Cu4O。通過DFT計算，證實了該新型含氧銅催化劑表面增強了*CO的吸附，從而促進了C-C偶聯以及二聚反應（如下圖所示）。總之，通過實驗和理論研究相結合，深刻闡明了該體系在電催化CO2還原過程中的“結構（非典型含氧銅結構）—活性（CO2RR）關系”。

上述研究成果得到了國家自然科學基金、武漢市應用基礎前沿項目等項目的資助。

來源：華中師范大學

論文鏈接：

https://dx.doi.org/10.1021/jacs.0c01562