中国科学技术大学化学所韩步兴团队报道了通过调整稀土/铜催化剂的组成和结构在CO2电解中C2+产物和CH4之间的转换。相关研究成果于2023年10月11日发表于国际顶尖学术期刊《美国化学会杂志》。
合理调节反应途径以产生所需产物是电化学CO 2还原反应（CO2RR）中最重要的挑战之一。
该文中，研究人员设计了一系列混合相稀土Cu催化剂。研究发现，通过调节催化剂的组成和结构，可以将产物从C2+转化为CH4。特别是在Cu/Sm原子比为9/1（Cu9Sm1–Ox）的情况下，C2+产物（FEC2+）的法拉第效率（FE）在700 mA cm–2时可达81%，CH4可忽略不计。然而，在Cu1Sm 9–Ox（Cu/Sm=1/9）的500 mA cm–2下，CH4（FECH4）的FE为65%，并且FEC2+极低。实验和理论研究表明，在Cu/Sm为9/1~1/9的范围内，所有催化剂中都存在稳定的CuSm2O4相。在高Cu含量下，催化剂由CuSm2O4和Cu相组成。少量Sm可以提高*CO的结合强度，促进C–C偶联。
相反，在高Sm含量下，催化剂由CuSm 2 O4和Sm2O3相组成。Sm可以有效稳定二价Cu并富集质子供体，降低*CO深度加氢生成CH4的反应能。在这两种途径中，稳定的CuSm 2 O4相可以与Cu或Sm2O3相协同作用，诱导形成不同的微环境以产生不同的产物。该策略还与其他铜稀土（La、Pr和Eu）催化剂具有共性，以提高C2+或CH4生产的CO2RR。
附：英文原文
题目：通过调整稀土/铜催化剂的组成和结构，在CO2电解中切换C2+产品和CH4
作者：刘继元、李鹏松、毕家辉、贾帅强、王勇、康新晨、孙晓福、朱庆功、韩步兴
发行时间：2023 年 10 月 11 日
摘要： 合理调控反应途径以生产目标产物是电化学CO2还原反应（CO2RR）中最重要的挑战之一。本文设计了一系列混合相稀土Cu催化剂。结果表明， 通过调整催化剂的组成和结构， 产物可以从C2+切换到CH4.特别是在Cu/Sm原子比为9/1（Cu9Sm1–Ox）时，C2+产物（FEC2+）的法拉第效率（FE）在700 mA cm–2时可以达到81%，CH4可以忽略不计。然而，在500 mA cm–2下，CH4 （FECH4）的FE比Cu1Sm9–Ox（Cu/Sm = 1/9）高出65%，FEC2+极低。实验和理论研究表明，在9/1至1/9的Cu/Sm范围内，所有催化剂均存在稳定的CuSm2O4相。在高Cu含量下， 催化剂由CuSm2O4和Cu相组成.少量Sm可以增强*CO的结合强度，促进C-C偶联。相反，在高Sm含量下，催化剂由CuSm2O4和Sm2O3相组成。Sm能有效稳定二价Cu并富集质子供体，降低*CO反应能进行深度加氢生成CH4。在两种途径中，稳定的CuSm2O4相都可以与Cu或Sm2O3相配合，诱导形成不同的微环境以产生不同的产物。该策略还与其他铜稀土（La、Pr和Eu）催化剂具有共性，可提高C2+或CH4生产的CO2RR。
DOI： 10.1021/jacs.3c05562