近日，中国科学技术大学耿志刚副教授等在CO2电还原制多碳（C2+）产物领域取得重要进展。研究人员通过制备一类具有不同孔径的Cu多孔外壳Ag内核的Ag@Cu核壳催化剂，深入研究了Cu外壳不同孔径的限域效应与CO2电还原制C2+产物选择性的作用机制。相关成果以“Adjusting Local CO Confinement in Porous-Shell Ag@Cu Catalysts for Enhancing C–C Coupling toward CO2 Eletroreduction”为题发表于《纳米快报》上（Nano Letters. 2022, 22(6), 2554–2560）。该文入选杂志当期封面（图1）。
图1. 2022年Nano letters杂志22卷第6期封面。
利用清洁能源将CO2还原转化为C2+产物，不仅为实现碳中和提供一种有效途径，更对能源和环境的发展具有重要意义。在CO2电还原过程中，C-C偶联是形成C2+产物的关键步骤，而增加局部*CO中间体浓度可有效促进C-C偶联。因此，通过调控Cu基催化剂的多孔微观结构，利用孔隙结构的限域效应去增强局部*CO中间体浓度可有效提高生成C2+产物能力。但当前催化剂的孔径与限域效应强度关系尚不明确。鉴于此，设计孔径可调的多孔Cu基催化剂以深入研究孔径与限域效应强度关系对优化C2+产物选择性具有重要意义。
图2.三种Ag@Cu核壳催化剂结构表征。
研究人员利用Ostwald熟化和原位电化学还原反应过程制备了一类多孔Cu外壳Ag内核的Ag@Cu核壳催化剂（图2）。通过控制不同的Ostwald熟化反应时间，分别制备了Cu外壳的平均孔径分别为2.8nm，4.9nm和11.2nm的三种Ag@Cu核壳催化剂。
图3.三种Ag@Cu核壳催化剂的CO2电还原性能评价。
CO2电还原测试结果表明，相比于Cu外壳平均孔径为2.8nm和11.2nm的Ag@Cu催化剂，Cu外壳平均孔径为4.9nm的Ag@Cu核壳催化剂在所有的恒电流测试条件下都表现出最优的催化活性和C2+产物选择性（图3）。其中C2+产物法拉第效率最高可达73.7%，C2+/ C1产物的选择性比值达5.1倍。
图4.不同Cu壳层孔径对*CO中间体限域效应的有限元模拟。
基于有限元理论模拟分析表明，相比于孔径为2.8 nm和11.2nm的Cu壳层，孔径为4.9 nm的Cu壳层对*CO中间体表现出最强的限域效应。这种限域效应可有效提高局部*CO中间体浓度，促进C-C偶联生成C2+产物（图4）。
该项研究得到了国家自然科学基金项目的支持。耿志刚副教授为该论文的唯一通讯作者，博士生钟永智和博士后孔祥栋为论文的共同第一作者。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04815
（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）
