铜羰基动态迁移的原位观测及其在电催化CO2还原中的机制解析

为解决铜纳米催化剂在CO2电化学还原(CO2RR)中的动态演化机制问题，研究人员通过设计Cu纳米立方体模型系统，结合原位电化学液体池扫描透射电镜(EC-STEM)、同步辐射X射线光谱及机器学习辅助四维STEM等技术，揭示了Cu-CO物种驱动的电极重构过程，发现CO诱导的Cu原子迁移导致纳米晶粒非晶化，为能源催化剂的理性设计提供了原子尺度见解。

　　

这项突破性研究像一部分子尺度的实时纪录片，首次捕捉到铜催化剂在电催化战场上的"变形记"。科研团队精心设计(100)晶面取向的Cu@Cu₂O纳米立方体作为"主角"，在CO₂还原反应(CO₂RR)的电解液中上演精彩戏码。通过原位电化学液体池透射电镜(EC-STEM)这个"纳米摄像机"，清晰记录到立方体逐渐瓦解为多晶铜纳米颗粒的全程影像。同步辐射X射线光谱则化身"成分分析仪"，证实这一转变具有显著的尺寸和电位依赖性。

更有趣的是，机器学习辅助的四维STEM技术像"智能显微镜"般发现：大尺寸铜纳米颗粒保持较好结晶性，而小颗粒因演化速度过快呈现"混乱派对"般的非晶态结构。原位拉曼光谱联合密度泛函理论(DFT)计算揭开了幕后推手——一氧化碳(CO)分子如同"分子钳工"，将铜原子从晶格中逐个"撬出"，形成高度流动的铜羰基(Cu-CO)物种。这些"流浪金属"最终聚集成纳米级铜团簇，完成催化剂的华丽变身。该研究为理解电化学环境下催化剂"生命历程"提供了全新范式。