多伦多大学团队揭示Cu-Ag复合催化剂电催化CO2还原新机制！

【研究背景】

电化学二氧化碳还原（CO2R）是一种利用可再生电力将二氧化碳转化为有价值燃料的重要技术，广泛应用于应对气候变化和实现碳中和目标。与传统的生物质乙醇生产方法相比，CO2R具有更低的碳强度和潜在的可持续性。然而，现有的CO2R催化剂在选择性和能量效率方面仍存在瓶颈，尤其是在实现高碳效率和能量效率的平衡时，面临着显著的技术挑战。

近日，来自加拿大多伦多大学机械与工业工程系David Sinton教授（加拿大工程院院士）团队某研究团队的研究中取得了新进展。该团队设计并制备了一种新型的电解槽系统，结合了正向偏压双极膜（f-BPM）和酸性电解质，成功实现了乙醇的高效电合成。利用创新的界面阳离子矩阵（ICM）-催化剂异质结，该系统有效富集了阴极表面的碱性阳离子，从而显著提高了二氧化碳还原为乙醇的选择性，达到超过90%。

该研究还显示，氢氧根离子的迁移被有效控制，极大地降低了氢气演化反应（HER）的法拉第效率，保持在10%以下。此外，整个系统的碳效率达到了63%，全电池能量效率（EEethanol）为15%，每吨乙醇的总能耗为260 GJ。这些结果表明，该团队的研究为电化学二氧化碳还原技术在高效乙醇生产中的应用提供了新的解决方案，具有重要的理论和实践意义。

【表征解读】

本文通过一系列高端仪器和表征手段，揭示了Cu电极在电催化CO2还原反应中的重要作用。首先，使用超高分辨率的Schottky扫描电子显微镜（SEM）及能量色散X射线谱（EDS）映射，作者能够详细观察到催化剂表面的微观结构及其元素分布。这些表征结果表明，银的负载能够显著改善Cu电极的催化性能，从而促进了CO2的还原反应。

针对Cu电极表面形成的银簇现象，作者采用了场发射透射电子显微镜（HF3300，环境CFE-TEM）进行微观机理的深入分析。通过获取扫描透射电子显微镜（STEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，作者能够观察到银簇的均匀分布及其对Cu晶体结构的影响。这一发现揭示了银簇在催化反应中的关键作用，帮助作者理解其催化机理。

此外，作者还使用Rigaku Miniflex 600 6G台式粉末X射线衍射仪对催化剂的晶体结构进行了表征。通过分析不同银负载量的催化剂的衍射图谱，发现银的引入显著影响了Cu的晶体相，促进了催化剂的活性位点生成。这为作者后续的催化性能评估提供了理论基础。

在此基础上，采用Renishaw inVia拉曼显微镜进行原位拉曼光谱测量，作者能够实时监测催化过程中的反应中间体及其变化。通过对拉曼光谱的分析，作者发现催化反应的活性与反应中间体的形成密切相关。这一结果为作者进一步挖掘Cu-Ag催化剂的反应机制提供了重要的实验依据。

同时，通过X射线吸收光谱（XAS）技术，结合原位和外部测量，作者深入探讨了Cu催化剂在电解过程中的电子状态和局部结构变化。这些表征结果表明，银的加入不仅增强了Cu电极的导电性，还提高了其催化选择性。这一发现为优化催化剂的设计提供了新的思路。

综合以上表征手段和结果，本文着重研究了Cu-Ag复合催化剂在CO2电还原中的性能表现。通过系统的微观分析，作者揭示了催化剂在反应过程中发生的结构变化和性能提升机制。这些深入的研究为制备高效催化材料奠定了基础，最终推动了电催化领域的进步。

参考文献：Shayesteh Zeraati, A., Li, F., Alkayyali, T. et al. Carbon- and energy-efficient ethanol electrosynthesis via interfacial cation enrichment. Nat. Synth (2024). https://doi.org/10.1038/s44160-024-00662-x