瞬态脉冲放电法制备石墨烯气凝胶负载不对称铜簇催化剂促进CO2电还原产乙醇研究

研究人员针对CO2电还原反应(CO2RR)中C-C偶联能垒高、乙醇选择性差等问题，通过瞬态脉冲放电技术构建了具有Cu4O-CuC2O1不对称结构的铜簇/石墨烯气凝胶(Cu Clu/GAs)催化剂。该催化剂在-1.1 V vs. RHE条件下实现乙醇法拉第效率75.3%、多碳产物选择性90.5%，并保持60小时稳定性，为碳中性能源转换提供了创新解决方案。

　　

随着全球气候变化加剧，将二氧化碳(CO₂)转化为高附加值化学品成为实现碳循环的关键路径。其中，电催化CO₂还原反应(CO₂RR)可将可再生电能储存为化学能，但面临两大挑战：C-C偶联能垒高导致多碳产物选择性差；铜基催化剂易失活导致稳定性不足。传统方法难以同时解决活性与稳定性的矛盾，亟需开发新型催化剂设计策略。

北京理工大学的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果，提出瞬态脉冲放电法制备石墨烯气凝胶负载不对称铜簇催化剂的新策略。通过精确调控放电参数，成功构建了具有Cu₄O-CuC₂O₁原子相互作用的活性中心，实现了CO₂高效转化乙醇，为碳中性能源转换提供了新思路。

研究采用四项关键技术：1) 脉冲放电合成技术（8.6 kV电压下制备1.7 nm铜簇）；2) 原位X射线吸收精细结构(XAFS)追踪催化剂动态演变；3) 原位拉曼/红外光谱捕捉关键中间体(CO、CHO等)；4) 密度泛函理论(DFT)计算揭示Cu₄O-CuC₂O₁活性中心的反应路径。

结果部分：

Synthesis and morphology characterizations

通过调控放电电压(7.4-9.0 kV)实现铜簇尺寸精确控制(1.4-7.5 nm)，HAADF-STEM显示1.7 nm铜簇具有显著晶格畸变。EXAFS拟合证实Cu-O/C配位数3.2，形成强氧化物-载体相互作用。

Electrocatalytic characterizations

Cu_1.7 Clu/GAs在-1.1 V时乙醇选择性达75.3%，多碳产物选择性90.5%，电流密度-33.5 mA cm^-2，性能超越多数文献报道值。ECSA测试显示活性位点密度达108.8 m² g^-1。

In situ XAFS and in situ ATR-FTIR studies

原位XAFS揭示反应中Cu价态从+1.5降至+0.5，Cu-Cu键压缩提供活性位点。ATR-FTIR检测到*CO-CHO关键中间体，证实C-C偶联路径。

In situ Raman, in situ NAP-XPS and DFT calculations

拉曼光谱观察到352 cm^-1处Cu-CO振动峰。DFT计算表明CO-CHO耦合能垒(1.28 eV)低于CO二聚(1.83 eV)，且CH₃CH₂OH决速步能垒(0.83 eV)低于C₂H₄(1.10 eV)，与实验选择性一致。

该研究通过非平衡态脉冲放电技术，首次实现了不对称铜簇催化剂的精准构筑。Cu₄O-CuC₂O₁活性中心的局部极化场有效降低了C-C偶联能垒，而强金属-载体相互作用保障了稳定性。该方法可拓展至Co、Ni等金属簇制备，为设计高效CO₂RR催化剂提供了新范式，推动电催化从基础研究向工业应用迈进。