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研究内容
可再生能源驱动的电催化CO2还原反应（CO2RR）转化为增值原料和燃料，为同时减少CO2排放和满足日益增长的能源需求提供了一条可持续的途径。与C1产品相比，源自CO2RR的C2+产品（乙烯、乙醇和正丙醇）具有更高的能量密度和市场价值。在CO2还原反应（CO2RR）中，Cu是一种很有前途的电催化剂，可制备高价值的C2+产物。然而，作为重要的C-C偶联活性位点，Cu+在还原条件下通常是不稳定的。原子掺杂剂如何影响铜基催化剂的性能是值得研究的。
中国科学院化学研究所韩布兴院士和孙晓甫研究员首先计算了CO2RR的热力学极限电位与析氢反应之间的差异，以及掺杂不同金属的Cu2O上的*CO结合能，结果表明在Cu2O中掺杂原子Gd可以有效地提高催化剂的性能。作者进一步设计了Gd1/CuOx催化剂，其C2+产物的法拉第效率可以达到81.4%，C2+产物在-0.8 V（vs RHE）下的分电流密度为444.3 mA cm-2。相关工作以“Improving CO2‑to‑C2+Product Electroreduction Efficiency via Atomic Lanthanide Dopant-Induced Tensile-Strained CuOx Catalysts”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。
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研究要点
要点1.作者首先通过密度泛函理论（DFT）计算筛选了掺杂不同单原子金属的Cu2O，发现掺杂Gd单原子的Cu2O是非常有前途的CO2RR到C2+产物的候选者，因为它可以增强CO2到*CO的转化，抑制HER，对CO2RR表现出较小的负热力学极限电势，并且具有中等的*CO结合能。
要点2.作者进一步通过简单的一步溶剂热法合成了Gd掺杂的CuOx催化剂（Gd1/CuOx）。原子分散的Gd独特的电子结构和大的离子半径不仅使Cu+在反应过程中保持稳定，而且在Gd1/CuOx中引起拉伸应变，从而使催化剂在将CO2电还原为C2+产物方面具有优异的性能。
要点3.结果表明，Gd1/CuOx显示出优异的CO2RR到C2+产物性能，C2+产物的法拉第效率（FE）可以达到81.4%，C2+产物在-0.8 V（vs RHE）下的分电流密度为444.3 mA cm-2。
要点4.实验和DFT计算表明，Gd掺杂可以提高关键中间体O*CCO的稳定性，拉伸应变明显影响2*CO到*CCO步骤的能垒，导致Gd1/CuOx催化剂具有较高的CO2RR到C2+产物性能。
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研究图文
图1. 各种X1/Cu2O（X=Ag、Pd、Ni、Zn、Sn、Ce、Sm和Gd）的DFT计算。
图2. 形态和化学结构表征。
图3. 电催化CO2RR性能。
图4. 原位光谱分析。
图5. DFT计算。
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文献详情
Improving CO2 ‑ to ‑ C2+Product Electroreduction Efficiency via Atomic Lanthanide Dopant-Induced Tensile-Strained CuOx Catalysts
Jiaqi Feng, Limin Wu, Shoujie Liu, Liang Xu, Xinning Song, Libing Zhang, Qinggong Zhu, Xinchen Kang, Xiaofu Sun,* Buxing Han*
J. Am. Chem. Soc.
DOI: 10.1021/jacs.3c02428
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