人类社会对于化石能源的使用急剧增加，造成了大量CO₂气体的排放，对生态环境造成一系列难以逆转的严重影响。控制CO₂等气体的排放已成为人类社会持续和发展所面临的重大挑战。虽然CO₂电催化剂的研究已有很长时间，然而CO₂电催化还原反应复杂，包括多步多电子-质子耦合的反应过程，产物种类众多，且溶液中的水分子会强力竞争CO₂电催化还原反应所需要的电子，直接导致溶液的产氢气过程，降低CO₂还原的法拉第效率。铜电催化剂已被证明可以选择性地将二氧化碳还原成碳氢化合物。然而，由于缺乏基于时间分辨光谱的系统研究，使得功能性试剂（金属或氧化铜）的选择性仍无法确定。

有鉴于此，国立台湾师范大学的Hao Ming Chen、Ming-Kang Tsai等人，以氧化Cu纳米立方体作为模型电催化剂，利用原位XAS进行结构表征，揭示了Cu的化学组成与CO₂RR产物间的关联。

本文要点

1）利用小角X射线的TR-XAS，提出了用一种原位XAS来实现eCO2RR催化剂的二次解析近表面研究，从而认识到催化表面的化学性质。采用两步湿化学法，合成了平均尺寸为38.0±4.2 nm的均匀Cu纳米立方体。

2）通过基于时间分辨的原位XAS进行表征，采用转换电位法，CuO_x催化剂可以达到半Cu(0)和半Cu(I)的稳定化学状态，可选择性地生成单一电解产物C₂H₅OH。

3）理论计算表明，由Cu-Cu(I)体系组成的催化表面能够发生双CO分子的不对称耦合，这有利于增强催化剂对C₂产物的选择性。

总之，该工作有助于为设计高选择性的CO₂RR电催化剂提供新的见解。

参考文献：

Lin, S., Chang, C., Chiu, S. et al. Operando time-resolved X-ray absorption spectroscopy reveals the chemical nature enabling highly selective CO₂ reduction. Nat Commun 11, 3525 (2020).

DOI: 10.1038/s41467-020-17231-3

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17231-3