我院王野&谢顺吉教授团队在电催化CO还原制多碳烯烃和含氧化合物领域取得重要突破，相关成果以“Copper lattice tension boosts full-cell CO electrolysis to multi-carbon olefins and oxygenates”为题于近日发表在国际学术期刊《Chem》(DOI: 10.1016/j.chempr.2023.03.022)。
精确控制C-C偶联以合成特定的C2+化合物是C1化学中极具挑战性的难题。在全电池中，将CO2直接转化为C2+往往不能兼顾高活性、选择性和高稳定性。相比之下，结合技术成熟的高温固体氧化物电解CO2制备CO反应，将生成的CO通过碱性膜电极全电池进一步还原为多碳烯烃和含氧化合物具有更大的应用前景。目前，实现CO电还原制C2+高电流密度往往是以牺牲能量效率和选择性为代价。开发高效催化剂，获得高电流密度、高C2+选择性和高能量效率的“三高”性能，是推进膜电极体系全电池CO电还原走向实际应用的关键。
电催化CO还原过程中，催化剂表面的高CO覆盖度会导致CO吸附物种之间产生偶极排斥，进而阻碍C-C偶联关键中间步骤。团队通过理论模拟研究发现，铜晶格中引入拉伸应变可有效调控CO吸附物种之间的偶极排斥强度，显著增加*CO-CHO偶联速率。以理论指导实验，团队将拉伸应变引入到特定暴露晶面的纺锤形铜(Cu-s)催化剂中，实现晶面内晶格应力的可控调变。该催化剂在阴极、聚合物膜和阳极一体化的膜电极全电池中，在2.4 V的低池压即可获得安培级反应电流密度，C2+产物(主要为乙烯和乙醇)的法拉第效率和选择性分别达84%和近100%，而CO单程转化率达41%；在工业级电流密度下，C2+产物的能量转化效率达到41%，是目前CORR领域内报道的最高值，且催化剂在180小时测试过程中表现出良好的工作稳定性。此外，结合原位同步辐射、原位拉曼光谱以及其他表征技术，团队进一步揭示了Cu-s催化剂中应变-活性/选择性之间的构效关系。在本工作中，材料晶格应变工程首次被用于CO电还原领域，为铜基催化剂的开发设计开辟了新思路，亦为相关领域催化剂的创制提供了新范式。
该工作在王野教授和谢顺吉教授的指导下完成。我院2016级马文超博士（现为EPFL博后）、谢顺吉教授和2021级博士生张彪为共同第一作者。博士生何潇洋、冯慧姝和林莉参与了部分测试和表征工作。上海交通大学刘晰副教授为电镜表征提供了帮助。中科院上海应用物理研究所姜政研究员、孙凡飞博士、杨若欧为同步辐射表征提供了支持。南开大学化学院2021级博士生秦红叶为理论计算提供了帮助。张庆红教授、胡喜乐教授（EPFL）参与了论文数据分析以及论文修改，任斌教授在原位拉曼分析方面给予了指导，傅钢教授在理论计算模拟方面给予了指导。研究工作得到国家重点研发计划项目(2019YFE0104400)、国家自然科学基金项目(22121001、22022201、91945301、21972115)、嘉庚创新实验室科技项目(RD2020020201)等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2023.03.022
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