最近已有研究表明廉价的双金属CuZn催化剂可用于电化学CO₂还原（CO₂RR），并实现选择性的控制。但是，人们对决定CO₂RR性能的潜在反应机理和参数的基本了解仍然很缺乏。近日，德国马普学会的弗里茨-哈伯研究所Beatriz Roldan Cuenya团队采用负载在碳上的尺寸受控（〜5 nm）的Cu_100-xZn_x纳米颗粒（NPs）来研究其结构和组成与催化性能之间的相关性。实验发现，通过调节Zn的含量（x=10~50），可以大幅增加CH₄的选择性（〜70％法拉第效率（F.E.）），同时抑制了H₂的产生。含Zn量较高的样品显示出明显较低的CH₄生成量，并且对CO的选择性发生突然变化。作者通过准原位X射线光电子能谱（XPS）研究发现催化过程中没有金属浸出。此外，Operando X射线吸收精细结构（XAFS）光谱研究表明，Cu原子与Zn原子在反应条件下发生合金化，并在对产物选择性起决定性作用。随时间变化的XAFS分析表明，CO₂RR持续几个小时的过程中，Cu原子周围的局部结构和化学环境不断变化。特别地，作者发现随着反应的进行，最初存在的阳离子Zn物种会减少，从而导致形成CuZn合金（黄铜）。作者发现，在CO₂RR期间，Cu-Zn相互作用产物选择性发生变化（从CH₄到CO）的原因。该工作表明，双金属NPs电催化剂中不同种类原子之间相互作用对催化性能至关重要。

Hyo Sang Jeon, Beatriz Roldan Cuenya*, et al. Operando Insight into the Correlation between the Structure and Composition of CuZn Nanoparticles and their Selectivity for the Electrochemical CO₂ Reduction. J. Am. Chem. Soc., 2019

DOI: 10.1021/jacs.9b10709

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b10709