背景介绍

工业革命以来形成的产业结构使得工业生产对化石能源产生极大的依赖，而化石能源的大量消耗造成了大气中二氧化碳浓度急剧升高，这对地球生态环境以及人类社会的可持续发展形成了巨大威胁。为了解决这个问题，我们迫切地需要调整产业结构，大力发展低碳经济，与此同时，对二氧化碳进行人工固定也是降低其浓度的重要途经，利用电化学的方法来还原二氧化碳既可以实现降低二氧化碳浓度，又可以得到其他高附加值的化学品，还可以充分利用来源丰富的清洁电能，助力我国早日实现碳中和的目标。铜基材料可以实现将二氧化碳转化为多碳产物和多种碳氢化合物，应用前景广泛。铜基催化剂在电催化过程中的结构演化和表面重构是普遍存在的现象，由此方法得到的电催化剂往往会表现出优异的性能。深度解析铜基催化剂的表面重构过程对产物的影响对我们理解催化剂的构效关系至关重要。

成果简介

中国科学技术大学熊宇杰课题组提出由Cu2-xS衍生得到的Cu纳米结构（Cu-s）可以实现将二氧化碳高效转化为乙烯，该课题组选择Cu2-xS作为原始材料来探究其电催化二氧化碳还原反应的性能以及在电催化过程中的演化路径对催化剂性能的影响。经过长时间连续性测试，Cu2-xS将二氧化碳转化为乙烯的法拉第效率从25.3%提高到68.8%，结合多种原位测试发现由Cu-s表面的高指数晶面比例与乙烯法拉第效率之间存在显著的正相关关系，并且通过原位电化学拉曼测试检测到了*COCHO中间体，这对确认将二氧化碳转化为乙烯的反应路径起到关键性作用。如下图1所示。

图1.由Cu2-x?S衍生得到的多晶铜纳米颗粒用于将二氧化碳高效转化为乙烯。

图文导读

Cu2-xS在反应刚开始时的主要产物为甲酸，乙烯的法拉第效率只有不到30%，随着反应时间的延续，Cu2-xS颗粒的甲酸选择性降低，乙烯法拉第效率迅速提升，当反应进行到2h时，乙烯法拉第效率提升至68.6%，此时甲酸的法拉第效率只有8.7%；而商业铜球对甲酸和乙烯的选择性随着反应时间的增加并没有发生显著的变化。当Cu2-xS完全转变为Cu-s时，乙烯法拉第效率在?1.2V（相较于可逆氢电极）时最高可以达到69.3%，如图2所示。

图2.Cu2-xS与商业铜颗粒进行长时间电化学测试乙烯和甲酸法拉第效率变化曲线。

在电化学反应过程中，Cu2-x发生了剧烈的结构和形貌变化，逐渐转变为Cu-s，Cu-s形成过程中的表面重构导致其表面高指数晶面比例增加，该课题组对不同反应时间的催化剂进行电化学OH-吸附测试，通过OH-吸附峰的变化发现催化剂中高指数晶面的比例逐渐升高与乙烯法拉第效率之间存在显著的正相关关系，与之相比，商业Cu颗粒在电催化过程中并没有发生比较明显的结构变化，也没有形成比较多的高指数晶面，这使得其难以在电催化过程中将CO2活化为乙烯，如图3所示。

图3.(a)-(d)将反应进行不同时间后得到的Cu-s进行电化学OH-吸附测试，时间分别为20min、40min、60min和min；（e）对反应60min的商业铜颗粒进行电化学OH?吸附测试结果；（f）高指数晶面比例与其乙烯法拉第效率之间的关系图。

此外该课题组还利用原位电化学拉曼光谱测试来确定导致乙烯产生的中间体，从而确定乙烯产生的反应路径，通过对光谱信息进行解析确定Cu-s将CO2转化为乙烯过程中的中间体为*COCHO，如图4所示。

图4.商业铜球(a)和Cu-s(b)在不同电势下进行原位电化学拉曼测试结果。

课题组简介

熊宇杰，中国科学技术大学教授、博士生导师。年进入中国科学技术大学少年班系学习，年获化学物理学士学位，年获无机化学博士学位，师从谢毅院士。在美国学习工作七年后，年辞去美国华盛顿大学圣路易斯分校的国家纳米技术基础设施组织首席研究员职位，回到中国科学技术大学任教授。回国工作以来，组织了中国科学院创新交叉团队（结题优秀），基于“精准合成-原位谱学-理论模拟”三位一体研究范式，发展复合与杂化材料体系，探索界面耦合激发态下的分子转化机制，推动其在太阳能驱动人工碳循环方面的应用。迄今为止，在Science等国际刊物上发表余篇论文，总引用25,余次（H指数78），入选科睿唯安全球高被引科学家榜单和爱思唯尔中国高被引学者榜单。年获国家杰出青年科学基金资助，入选英国皇家化学会会士。年入选国家万人计划科技创新领军人才。年获国家自然科学二等奖（第三完成人），-和年四次获中国科学院优秀导师奖，年获中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖，年获英国皇家化学会ChemSocRev开拓研究者讲座奖。

龙冉，中国科学技术大学副教授、博士生导师。主要研究方向是无机固体材料的设计、可控合成以及催化应用方面的研究。已在国际刊物上发表SCI论文70余篇，他引3余次（H因子35），包括30余篇发表在J.Am.Chem.Soc.、Angew.Chem.Int.Ed.、Adv.Mater.、Chem.Soc.Rev.的第一/通讯作者论文。曾获中国科学院院长特别奖（）、中国科学院优秀博士学位论文奖（）；入选中国科协“未来女科学家计划”（，全国5名入选者）、世界最具潜力女科学家计划（，全球15名入选者）、中国科协“青年人才托举工程”（）、中国科学院“青年创新促进会”（）。

文章信息

ChaohuaHe,DelongDuan,JingxiangLow,YuBai,YawenJiang,XinyuWang,ShuangmingChen,RanLong*,LiSong,andYujieXiong*.Cu2-xSderivedcoppernanoparticles:aplatformforunravelingtheroleofsurfacereconstructioninefficientelectrocatalyticCO2-to-C2H4conversion.NanoResearch