Angew. Chem. ：设计双原子催化剂实现工业级电流密度电还原CO2

为了缓解全球变暖，越来越多的国家和地区提出了碳中和时间表。二氧化碳（CO₂）作为最主要的温室气体，它的收集和转化是碳中和计划的重要内容。在CO₂的化学转化方法中，CO₂电化学转化（CO₂RR）具有绿色，高效，反应条件温和的优点，受到广泛关注。CO₂活化困难，且随着过电位增加，析氢副反应难以抑制，目前大多数已报道催化剂仍难以满足工业化电流密度要求（>200 mA cm^-2）。设计合成在高过电位大电流密度下，高效稳定转化CO₂的催化剂，具有重要的科学意义和实用价值。

近日，中国科学技术大学的吴宇恩教授和温州大学的陈伟教授，设计合成了一种新型CoCu双原子催化剂，实现了将CO₂高效电化学转化为CO。CO部分电流密度最高可达483 mA cm^-2。在100 mA cm^-2 ~ 500 mA cm^-2的宽电流区间内，双原子催化剂的CO选择性均在90%以上。

选用导电性能优秀的导电碳作为载体，常用的钴铜金属盐作为金属源，尿素作为氮源，经过高温下原子迁移重组，金属原子便稳定的锚定在导电碳基底上，合成得到CoCu双原子催化剂（CoCu-DASC）。球差电镜表明，金属原子均匀的分散在载体上，且观察到许多原子对，原子间距为0.25 nm左右。

将合成得到的双原子催化剂进行CO₂电还原性能测试。在H型电解池中，CO部分电流密度最高可达31.3 mA cm^-2。在-0.4 V ~ -0.9 V的宽电位区间内，CoCu-DASC的CO选择性均能维持在90%以上。在流动型电解池中，CoCu-DASC的CO选择性最高可达99.1%。CO部分电流密度最高可达483 mA cm^-2。在100 mA cm^-2 ~ 500 mA cm^-2的宽电流区间内，CO选择性均在90%以上。TOF最高可达91458 h^-1，CO生成速率最高可达201.7 L h^-1 g^-1。经过十小时的稳定性测试后，CO选择性仍能保持在95.6%以上。跟对照组催化剂（Co-SAC, Cu-SAC）相比，CoCu-DASC在各个维度均表现出更优异的性能。

理论计算表明，跟Co-SAC和Cu-SAC相比，CoCu-DASC不仅可以促进*COOH的形成，还可以增强*CO的脱附，从而加快反应速率，因此表现出更加优异的CO₂电还原活性。此外，CoCu-DASC(Co)的d带中心值较为适中，对中间产物的吸附合适，因此具有更好的催化活性。

本工作表明，在单原子催化剂中合理引入另一种金属原子，可以显著影响其电子结构，进而提高催化活性。本研究为设计实用、稳定、高性能的异核双原子催化剂提供了一种有效的策略，可以应用于其它的催化体系中。

论文信息

Design of Co-Cu Diatomic Site Catalysts for High-efficiency Synergistic CO₂ Electroreduction at Industrial-level Current Density

Jun-Dong Yi,+ Xiaoping Gao,+ Huang Zhou, Wei Chen,* Yuen Wu*

文章共同第一作者为伊俊东博士后，高晓平博士后。

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202212329

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