调控表面电荷与氢键协同作用的铜基电催化剂实现高效CO2至乙烯转化

针对铜基电催化剂在CO2还原反应（CO2RR）中C2H4转化效率低的问题，研究人员通过氮掺杂和十二胺修饰的Cu2O纳米立方体（N-Cu2O@12an），实现了56.9%的乙烯法拉第效率。该研究揭示了电荷调控与氢键稳定中间体的协同机制，为设计高效CO2RR催化剂提供了新策略。

　　

随着全球气候变化与能源危机加剧，二氧化碳（CO₂）减排成为可持续发展的重要议题。电催化CO₂还原反应（CO₂RR）可将温室气体转化为高附加值化学品（如乙烯C₂H₄），但现有铜基催化剂面临反应路径复杂、中间体不稳定等挑战，尤其是C₂₊产物的选择性和活性亟待提升。

针对这一难题，中国国家自然科学基金等项目支持的研究团队在《Journal of Catalysis》发表成果，提出了一种氮掺杂十二胺修饰的Cu₂O纳米立方体（N-Cu₂O@12an）合成策略。该研究通过调控铜位点表面电荷与氢键协同作用，显著提升了CO₂-to-C₂H₄转化效率，法拉第效率达56.9%，并阐明了从CO吸附到CHCH₂脱羟基的全过程催化机制。

研究人员采用回流法合成N-Cu₂O@12an，结合原位衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）和密度泛函理论（DFT）计算，系统分析了催化剂结构特性与反应路径。X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）证实了氮掺杂与十二胺修饰的成功引入，电化学测试则验证了其卓越的C₂H₄选择性。

主要研究结果

1. 结构表征：N-Cu₂O@12an呈现规整立方体形貌，氮掺杂使邻近Cu位点Bader电荷增加+0.20 e，增强了*CO中间体的吸附能力。
2. 中间体稳定机制：十二胺的氨基通过氢键稳定CHO中间体，并削弱OCCHO的C=O键，促进其氢化为O*CCHOH。
3. 关键能垒突破：相较于未修饰样品，N-Cu₂O@12an将OHCHCH₂脱羟基能垒降低，加速CHCH₂转化为C₂H₄。

结论与意义
该研究首次提出电荷调控与氢键协同的设计理念：氮掺杂优化铜位点电子结构，十二胺通过氢键稳定多步反应中间体。这种双功能策略不仅将C₂H₄法拉第效率提升至56.9%，更通过DFT计算揭示了*CHCH₂构型转变对降低能垒的关键作用。论文通讯作者Li-Hua Chen和Bao-Lian Su强调，该工作为多碳产物电催化剂设计提供了普适性思路，对实现碳中和目标具有重要应用价值。