为了缓解不断增加的CO₂排放量，已经大量研究了有关碳捕获、封存和转化等技术。利用可再生电力直接将CO₂电化学还原(CO₂RR)转化为碳氢燃料和化学品提供了一个吸引人的“碳中性”甚至“碳负”策略。已经研究了各种金属、合金、金属氧化物、金属硫化物和有机金属配合物用于CO₂RR的电催化剂。然而，目前的电催化剂对乙醇的选择性有限。

近日，阿贡国家实验室Cong Liu，Di-Jia Liu，北伊利诺伊大学Tao Li，Tao Xu报道了一种利用Cu-Li混合法，成功制备出工业碳负载的Cu-SA催化剂。

文章要点

1）研究人员将大量的Cu添加到熔融Li中，直到在超声处理下完全溶解为止，在将Li熔化至室温的淬火过程中，Cu仍需原子分离，然后在潮湿的空气中将Li转化为LiOH以形成Cu-LiOH混合物。将混合物与碳载体（XC-72）混合并用水浸出LiOH后，Cu原子转移到碳表面。由于转移过程是在环境温度下发生的，因此，Cu原子的迁移和团聚被保持在最低限度，并且主要以原子分散的形式保留。铜原子是通过含氧基团连接起来，具有与先前研究不同的化学环境。

2）通过高角度环状暗场和像差校正扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）结合能量色散X射线(EDX)光谱研究了Cu的分散状态。结果显示，所有的Cu原子都以孤立的SAs形式存在，没有发现NPs。沿着孤立原子的红线扫描获得的强度分布显示，单个峰的半峰全宽为~1.37 Å ，接近报道的Cu原子半径（1.28 Å）。EDX研究证明，Cu是碳上唯一的金属元素。此外，研究人员以Cu/C-0.4和Cu/C-1.6为例，通过扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）定量分析了所制备催化剂中Cu原子的配位结构。同时，利用X射线吸收近边结构（XANES）以更好地理解合成催化剂中的电子结构。

3）Cu-SA催化剂表现出高选择性的CO₂RR乙醇转化率，在-0.7 V时，法拉第效率（FE）达到~91%，−0.4 V时，FE为~15%。催化剂的FE保持约90％，并保持16小时不变。单Cu原子的高初始分散提高了CO2RR为乙醇的FE，Operando同步辐射X射线吸收光谱表明，这种分散对Cu-SA和Cu_n团簇（n=3和4）在电催化反应中作为活性中心的可逆转化起着关键作用，并得到了密度泛函理论(DFT)计算的进一步支持。

Xu, H., Rebollar, D., He, H. et al. Highly selective electrocatalytic CO2 reduction to ethanol by metallic clusters dynamically formed from atomically dispersed copper. Nat Energy (2020)

DOI：10.1038/s41560-020-0666-x

https://doi.org/10.1038/s41560-020-0666-x