氧化铈纳米岛稳定铜催化剂助力高效CO2转化为高价值化合物

长期以来，铜被认为是将二氧化碳转化为乙烯、乙醇等具有高价值的多碳产品的最有效金属，这些产品是化学品和燃料的关键原料。然而，在二氧化碳电解的苛刻条件下，铜的氧化态——对驱动碳碳耦合至关重要——会迅速还原为金属铜，限制了反应的效率和耐久性。

近日，由中国科学技术大学曾杰教授领导的研究团队设计出一种新型催化剂，成功克服了这一难题。通过在氧化铜纳米颗粒表面修饰微小的氧化铈纳米岛，研究人员在强还原电位下成功稳定了氧化的铜物种，从而实现了二氧化碳向C₂₊产物的高效、稳定转化。

氧化铜的存在对于碳碳耦合至关重要，但这就像试图阻止冰块在热房间里融化一样——在二氧化碳还原条件下它本质上是极不稳定的。氧化铈纳米岛起到了纳米锚的作用，在最关键的部位保住了具有活性的铜氧化态。

研究团队采用强静电吸附方法合成了该催化剂，使得尺寸约4纳米的氧化铈纳米岛均匀分布在铜表面。通过结合原位光谱技术和理论模拟，他们证实氧化铈纳米岛不仅能防止Cu²⁺和Cu⁺物种被还原，还通过稳定关键反应中间体，降低了碳碳耦合的能垒。

在性能测试中，该氧化铈/氧化铜催化剂在−700 mA cm⁻²的电流密度下，对C₂₊产物实现了78%的法拉第效率，其中乙烯是主要产物。即使在长时间运行下，该催化剂在−100 mA cm⁻²的电流密度下仍能保持超过70%的C₂₊效率超过110小时——这种稳定性在铜基二氧化碳还原系统中十分罕见。

特别令人兴奋的是，这种设计兼具高活性和耐久性，氧化铈纳米岛在保持导电性的同时增强了本征活性，并且其在还原条件下的固有稳定性防止了催化剂降解。

该研究还包含一项经济分析，表明使用氧化铈/氧化铜催化剂可显著降低乙烯生产过程中的碳捕集、电解和产物分离成本——这对于工业应用是一个充满希望的信号。

随着全球脱碳努力的加强，二氧化碳电还原已成为闭合碳循环的关键技术之一。然而，许多催化剂面临着选择性低和寿命短的问题。这项工作表明，精心的界面工程设计可以同时应对活性和稳定性这两大挑战。