将CO2电化学还原为增值化工原料，在减少由于人类活动引起的CO2排放的同时，对可再生能源储存和可再生能源发电具有重大意义。铜是将二氧化碳还原为碳氢化合物或含氧物的有效催化剂，但其受到低产品选择性和长期稳定性有限的严重困扰。
近日，加州大学洛杉矶分校黄昱教授，加州理工学院William A. Goddard III报道了通过电化学活化具有{100}表面Cu纳米线（CuNW）的预生长，成功制备出具有高活性台阶状表面的CuNWs。
文章要点
1）通过离心收集合成的CuNWs（Syn-CuNWs），并用己烷/乙醇混合物洗涤五次。Syn-CuNWs的低分辨率TEM图像显示，其具有一维导线结构，表面光滑。为了产生表面阶梯，将Syn-CuNW在与CO2RR相似的环境中进行电化学活化。在0.1 M KHCO3电解质溶液中，在高还原偏压(V=−1.05 V)下活化30 min以上。电化学活化后， CuNW（A-CuNW）表面高度不平整。此外，A-CuNW表面上的HRTEM图像显示出表面台阶的形成，其中一些台阶的形式为[n(100)×m(111)]。
2）电化学CO2RR研究表明，该催化剂具有非常高的C2选择性以及高C2H4法拉第效率（FE） （FEC2H4>70%），并且在~200 h内具有极高的稳定性。
3）高C2H4选择性归因于CuNWs具有独特的台阶状位点的独特表面结构。DFT研究表明，在CO2RR条件下，Cu(511)面[3(100)×(111)]的台阶状面在热力学上优于Cu(100)或Cu(111)面，这解释了长时间下的实验所观察到的催化剂长期稳定性。计算结果还显示，与C2相比，C1路径的势垒更高，Cu(511)面上的HER较缓慢，这导致对C2H4的选择性大大提高。
该研究发现提出了一种有效的方法来设计催化剂表面以在实际条件下实现高反应性，高选择性和高稳定性。
Choi, C., Kwon, S., Cheng, T. et al. Highly active and stable stepped Cu surface for enhanced electrochemical CO2 reduction to C2H4. Nat Catal (2020)
DOI：10.1038/s41929-020-00504-x
https://doi.org/10.1038/s41929-020-00504-x
