由于多个质子和电子之间耦合过程的复杂性和范围，使用各种类型的电催化剂用于CO₂还原（CO₂RR）可以产生多种潜在的产物（C₁-C₄和氢[H₂]）。众所周知，Cu电极的独特之处在于其是唯一能以合理速率产生多碳产品的单金属电催化剂。然而，由于Cu在空气中的高表面迁移率和低结合能导致了不可控的氧化，Cu催化反应的选择性并不令人满意。

近日，深圳大学杨健助理教授，王进教授，华东理工大学段学志教授报道了提出了一种简便的种子辅助策略，制备出一种聚乙烯吡咯烷酮（PVP）包覆的Cu纳米颗粒（NPs）。

文章要点

1）研究人员合成了三种类型的Cu NPs，系统地改变了PVP的包覆量：i）具有足够的PVP（在胶体溶液中>4.25wt%）的Cu NPs，ii）缺乏PVP的Cu NPs（在胶体溶液中<4.25 wt%），以及iii）没有PVP保护的Cu NPs。研究发现，与PVP保护不足的Cu NPs相比，添加足量PVP的Cu NPs几乎完全是Cu⁰物种。而缺乏PVP的Cu NPs形成了一种氧化物结构，其中内层是面心立方Cu，外层一部分由Cu₂O物种组成。

2）此外，为了消除CO₂分子的扩散，同时获得工业应用的高电流密度（200 mA cm⁻²），研究人员在0.5 m KOH溶液中进行了CO₂RR测试。结果显示，Cu⁰ NPs的CH₄法拉第效率（FEs）超过70%，电流密度超过200 mA cm⁻²，超过大多数已报道的CO₂RR电催化剂的性能。有趣的是，+1价Cu NPs催化产物的分布包括C₂H₄、C₂H₅OH、CH₃COOH和C₃H₇OH等多碳产物（C₂₊），其Fes超过了80%，电流密度高达300 mA cm⁻²。因此，Cu物种的表面氧化在CO₂RR中起着至关重要的作用。

参考文献

Qikui Fan, et al, Manipulating Cu Nanoparticle Surface Oxidation States Tunes Catalytic Selectivity toward CH₄ or C₂₊ Products in CO₂ Electroreduction, Adv. Energy Mater. 2021

DOI: 10.1002/aenm.202101424

https://doi.org/10.1002/aenm.202101424