氧化铜基催化剂二氧化碳电还原的多碳产物选择性

设计高选择性的电催化剂，将二氧化碳（CO₂）还原为多碳（C₂₊）产物对实现碳中和有着紧迫而重要的意义。然而，目前关于该反应选择性的理论研究还很少。近日，阿德莱德大学乔世璋院士/焦研教授团队首次报道了通过理论计算、人工智能（AI）分类方法和实验结果分析的紧密结合，为（氧化）铜基催化剂组成和反应产物选择性之间的关系构建理论模型。

图1. 不同价态的Cu位点电还原CO₂到C₂产物反应机理。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

铜（Cu）是CO₂电还原反应（CRR）生产多碳产物的唯一金属催化剂。氧化铜（CuO_x）基催化剂近年来引起越来越多的研究兴趣，因为能通过组成和结构工程调整目标产物的产率和选择性。理论计算对于CRR催化剂的设计和筛选具有重要意义，然而，很少有理论模型来理解催化选择性，特别是对于CRR这种复杂反应。

本研究旨在理解Cu基催化剂的CRR产物选择性。C-C偶联反应是决定步骤，它的难易程度导致了C₁或C₂₊产物的选择性。通过密度泛函理论（DFT）计算确定影响Cu活性位点上C-C偶联的因素，发现适中的Cu氧化态（约+0.5价）是最有利的。采用第一性原理热力学计算和表面Pourbaix相图来建立不同Cu氧化态表面结构的临界电势条件。为确定不同过渡金属掺杂元素对铜基催化剂选择性的影响，基于元素物理特征的AI聚类方法用于元素分区，以与临界电势条件结合起来。从实验C₂₊产物的法拉第效率和AI聚类的结果发现，C₂₊选择性与临界电势条件之间有倒火山型关系。这种研究方法有望推广到催化剂选择性的理论模拟和预测。

图2. AI聚类方法用于掺杂元素分类。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

图3. C₂₊法拉第效率与临界电位条件之间的倒火山型关系。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，通讯作者为阿德莱德大学（UoA）化工学院乔世璋院士、焦研教授，第一作者李昊博博士、姜云玲，共同作者包括李昕宇博士、Kenneth Davey副教授、郑尧教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

C₂₊ Selectivity for CO₂ Electroreduction on Oxidized Cu-Based Catalysts

Haobo Li, Yunling Jiang, Xinyu Li, Kenneth Davey, Yao Zheng, Yan Jiao*, and Shi-Zhang Qiao*

J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 14335–14344, DOI: 10.1021/jacs.3c03022

导师介绍

乔世璋院士

https://researchers.adelaide.edu.au/profile/s.qiao 

https://www.x-mol.com/university/faculty/29675 

焦研教授

https://researchers.adelaide.edu.au/profile/yan.jiao