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葉汝全教授團隊Nature子刊丨CuxO雙錐體助力CO2RR！

來源：時間：2023-12-11 09:53:17 瀏覽：1538次

第一作者：Weihua Guo、Siwei Zhang

通訊作者：葉汝全、唐本忠、Boris I. Yakobson、朱明輝

通訊單位：香港城市大學、香港科技大學、萊斯大學、華東理工大學

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43303-1

研究背景

通過調(diào)節(jié)活性部位局部微環(huán)境中的電子傳遞速率和離子濃度，可以克服電化學CO₂還原反應（CO₂RR）動力學慢和熱力學不利的缺點。然而，動力學和熱力學的同時優(yōu)化受到綜合條件約束和機理理解不充分的阻礙。基于此，香港城市大學葉汝全教授、香港科技大學唐本忠院士等人報道了利用激光輔助制造技術(shù)合成了尖端角可控、納米顆粒豐富的Cu_xO雙錐體，并闡明了電子傳輸/離子濃度與電催化性能之間的關(guān)系機制。

文章要點

1、作者的研究提出了一種基于激光的方法來設(shè)計具有可調(diào)尖端曲率和豐富納米顆粒界面的雙錐體催化劑，從而改善了多-電子還原的動力學和熱力學。尖銳的尖端幾何形狀誘導出局域強電場，提高電子輸運和離子濃度，以動力學方式調(diào)節(jié)反應微環(huán)境。同時，理論計算表明豐富的Cu⁺/Cu²⁺界面通過促進*OC-COH的形成，為C₂₊途徑提供了豐富的活性位點，降低了反應勢壘，從而促進了熱力學還原。兩種作用的結(jié)合產(chǎn)生了優(yōu)異的催化性能。CO₂RR的C₂₊局部電流密度為665.9 mA cm^?2，F(xiàn)E為81%；硝酸還原反應（NITRR）的NH₃產(chǎn)率為81.83 mg h^?1 mg^?1，局部電流密度超過600 mA cm^?2，是已報道的C₂₊和NH₃產(chǎn)量的最高值。

2、作為一種雙功能催化劑，在綠色化工領(lǐng)域具有很大的應用潛力，可以將廢水和廢氣轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品。結(jié)合原位表征、有限元模擬和密度泛函理論（DFT）計算，提供了局部增強電場和界面活性位點的見解，對于同時提高CO₂RR的C₂₊法拉第效率（FE）和產(chǎn)率至關(guān)重要，也有助于NITRR產(chǎn)生出NH₃。

3、這是首次報道的雙功能催化劑，將CO₂RR和NTIRR還原系統(tǒng)耦合在一起，CO₂RR和NITRR系統(tǒng)的耦合表明了對煙氣和硝酸鹽廢物進行揮發(fā)的潛力，實現(xiàn)變廢為寶，是未來工業(yè)綠色化學的重要一步，為碳氮循環(huán)提供了一種實用的方法，有助于設(shè)計下一代碳氮循環(huán)多電子還原催化劑。

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