【研究背景】
太阳能驱动的电催化二氧化碳还原反应（co2rr）转化为增值的化学品和燃料，既可以同时利用可再生能源，又可以降低大气中的co2浓度，解决环境问题，具有一定的吸引力。与co、ch4等单碳产品相比，附加值更高的c2 （包括c2）烃类和醇类产品更受关注。目前，由于*co中间体的特定结合能，铜是唯一能有效催化co2rr生成c2 产物的金属。但是，由于动力学迟缓和动力学上有利析氢反应（her）的竞争，其活性和活性位点之间的相关性目前仍然不明确，进而阻碍了其催化性能的进一步提高。
【成果简介】
近日，天津大学巩金龙教授、太原理工大学李晋平教授（共同通讯作者）等人报道了铜晶体促进co吸附和c-c耦合并因此对c2 产品具有优异选择性的刻面效应。与流通池中的可逆氢电极相比，作者在仅-0.54 v的条件下，对cu(oh)2-d上的c2 产品实现了高达87％的高法拉第效率（fe）和217 ma cm-2的大分流密度电解槽。通过与廉价的si太阳能电池与电化学电池耦合，构建了太阳能直接驱动co2rr的pv-ec系统，c2h4和c2 产品的太阳能转换效率达到了创纪录的4.47％和6.4％。这项研究提供了对cu上c2 产物选择性形成的深入了解，并为电催化或太阳能驱动的co2还原的实际应用铺平了道路。该文章近日以题为“coupling of cu(100) and (110) facets promotes carbon dioxide conversion to hydrocarbons and alcohols”发表在知名期刊angew. chem. int. ed.上。
【图文导读】
图一、催化剂结构表征
（a）cu(oh)2-d/cu箔、cuo-d/cu箔和cu2o-d/cu箔的制备示意图。
（b-d）cu(oh)2/cu箔、cuo/cu箔和cu2o/cu箔在co2饱和的0.1m khco3中，在-0.5v下与rhe的原位拉曼光谱。
（e-f）cu(oh)2-d的畸变校正haadf-tem图像。
（g）显示配位数的（310）和（210）面的模型；黄色的正方形标记区域是正方形的cu（100）。
图二、表面结构
（a）在氩气饱和1 m koh中收集的cu(oh)2-d/cu箔、cuo-d/cu箔和cu2o-d/cu箔的cv曲线，扫描速率=5 mv s-1。
（b）cu(oh)2-d/cu箔、cuo-d/cu箔和cu2o-d/cu箔的掠入射xrd（α=0.1o）模式。
图三、h电池co2还原反应性能
（a-c）cu(oh)2-d/cu箔、cuo-d/cu箔和cu2o-d/cu箔在co2饱和的0.1m khco3水溶液中的法拉第效率。
（d）cu(oh)2-d/cu箔、cuo-d/cu箔和cu2o-d/cu箔的c2 fes。
图四、dft计算、原位atr-seiras和原位拉曼光谱表征
（a）co2还原过程示意图。
（b-d）cu(oh)2-d/cu、cuo-d/cu和cu2o-d/cu在co饱和0.1 m koh水溶液中从0.2到-1 v与rhe的原位atr-seiras光谱。
（e）co二聚化的活化能垒。
（f）*co二聚体的构型。
（g）cu(oh)2-d/cu箔在co-饱和的0.1m koh水溶液中从-0.1到-1v与rhe的原位拉曼光谱。
图五、液流电池内co2还原反应性能和太阳能驱动co2还原性能
（a）液流电池配置。阴极：cu(oh)2-d/cp(1 cm2)；参比电极：hg/hgo(1m koh)；膜：阴离子交换膜；阳极：泡沫镍(1 cm2)。
（b-c）用液流电池在1m koh下测定cu(oh)2-d的法拉第效率、c2 分电流密度和法拉第效率。
（d）图中所示的太阳能电池的i-v曲线。
（e）太阳能驱动的co2rr电流密度和法拉第效率随时间的变化。
【小结】
综上所述，通过比较不同的氢氧化铜/氧化物衍生铜的性能，作者揭示了cu(oh)2-d/cu箔中的阶梯式cu(110)和cu(100)位点对c2 产物的选择性/活性增强至关重要。原位atr-seiras，dft计算和原位拉曼光谱证明，（110）促进co吸附和（100）促进c-c耦合到c2 产品。cu(oh)2-d显示c2h4的fes为~58%，c2 烃类和醇类的fes为~87%，在液流电池电解器中，c2 分流密度仅在-0.54v下为~217ma cm-2。在相同电位下，c2 碳氢化合物和醇类的功率转换效率达到56.5%。耦合到si太阳能电池上，c2h4和c2 产物的太阳能转换效率分别高达4.47%和6.4%。该研究为开发（太阳能驱动的）crr到c2 产物的高效催化剂铺平了一条简便的途径，并指导了高效co2还原cu催化剂的开发。
论文第一作者钟达忠博士，共同第一作者为天津大学赵志坚教授和太原理工大学赵强教授，通讯作者为太原理工大学李晋平教授和天津大学巩金龙教授。文献链接： (angew. chem. int. ed., 2020, doi: 10.1002/anie.202015159)
