【期刊】天津大学“新能源化工”团队：铜基催化剂在CO₂还原中的结构与性能研究

近日，天津大学“新能源化工”团队的AMR述评文章“Electrochemical Approaches to CO₂ Conversion on Copper-Based Catalysts”在线发表。文章总结了Cu基材料的从头设计、精准合成及其在CO₂电解过程中的反应机制、电极结构优化等方面的研究进展，同时展望了Cu基CO₂电解技术的应用前景。

关键词：Cu基催化剂，CO₂电解，位点设计，机理认知，器件优化

Spectroscopy and theoretical calculations should be actively applied in the design of copper-based materials, with a combination of big data-driven artificial intelligence analysis, to eventually establish a dynamic link between structure-intermediate adsorption-reaction barriers.

1

文章内容简介

作为实现“碳中和”的重要技术手段之一，电化学二氧化碳还原（CO₂ER）为制备高附加值化学品和生产可持续燃料提供了一条绿色途径。铜（Cu）是目前唯一能够将二氧化碳（CO₂）高效还原为多碳产物（C₂₊）的金属材料。但是Cu基催化剂CO₂还原机理和大规模Cu基电极的制备仍面临着诸多挑战。在机理研究方面，多种C-C偶联路径相互交叉，多种产物的生成过程错综复杂，导致产物类型与活性位点结构的对应关系难以识别。此外，对电解质-Cu基电极的理论模型和溶剂化效应的探究尚未成熟，难以准确获得精准的中间体吸附能和基元反应活化能垒等数据。同时，我们仍需不断开发简单且易规模化生产的高活性Cu基电极制备技术。在工业应用方面，使用Cu基催化剂的CO₂电解反应器须在高电流密度、高法拉第效率、高能量转化效率和高单程转化率（高产品浓度）的条件下稳定运行。然而，由于电化学系统的复杂性，仅依靠高性能的Cu基催化剂并不足以满足所有的工业化要求。因此，还需基于Cu基材料的催化特性，开发传质增强的电催化反应器。

图1 Cu基CO₂还原的微观机制研究与宏观反应系统设计

该述评主要就本团队（天津大学“新能源化工”团队）在Cu基CO₂电解领域的成果进行了总结和展望。首先，基于人工智能加速的模拟计算，以理论指导合成具有可控原子排列和特定化学价态的Cu基催化剂，并开发易于放大的催化剂制备工艺，改善目标产物选择性，降低CO₂电解的能量消耗。此外，在第一性原理计算的辅助下，使用原位表面增强振动光谱以及电化学动力学，辨别中间体类型，明确反应速控步。其次，在反应工程领域，我们强调了要协同优化活性位点和器件结构，根据多碳产物类型对中间体覆盖度的依赖性，结合计算流体力学，调控反应的温度、压力、催化剂层的孔道结构、电解质种类等过程参数，以实现传递过程的增强和CO₂电解规模的放大。最后，我们阐明了目前Cu基CO₂电解体系在催化剂重构、双电层结构认知以及新型反应器的设计方面所面临的机遇和挑战。

2

AMR：请问您选择该领域的初心是？

巩金龙教授：

我的合作导师乔治·怀特塞兹（George M. Whitesides）曾经对我说过这样一句话：“做重要的、别人没做过的研究。”这句话时刻提醒着我和我团队的成员们。我们要做的事，一定要是围绕学术前沿，同时必须是国家迫切需要的、改变未来的事情。太阳能这种广泛、清洁、可再生的能源，将是未来能源结构中的重要组成部分。光能如何转化为化学能，此前并没有人系统地做过相关研究，放眼全球，这个领域的研究也非常前沿。因此我们团队聚焦人工光合作用技术的开发，开展从基础科研到产业化应用的全链条研究。

3

AMR：请和大家分享一下这个领域可

能会出现的研究机会？

作者团队：

经过国内外研究人员的不懈努力，Cu基CO₂电催化还原技术已经取得了重大进展，但是仍有一些关键基础科学问题需要进一步解决。首先，需要明确Cu基材料在还原条件下的动态结构演变过程。在CO₂还原条件下，Cu基催化剂会发生表面重构，可能会导致产物分布的变化，并带来难以预测的电解稳定性。所以，开发新的催化剂-载体相互作用形式，保持Cu基材料的形貌结构稳定性显得十分重要。其次，需要解析反应微环境（如双电层结构）对催化反应的作用形式，并阐明宏观流体流动对局域反应微环境的作用规律。最近的研究成果显示，Cu基催化剂表面的中间体吸附构型、中间体种类和电极局域的电解质离子种类、局域电场强度等有密切的联系。因此，通过调控宏观流体流动实现产物分布的调节，是一项有前景的催化反应控制技术。最后，利用电催化技术实现长链化合物（>C₃）的直接制备也是未来的一个主要挑战。

4

AMR：您认为该领域当前最值得关注

的研究热点是什么？

作者团队：

在材料设计方面，Cu是目前已知的唯一一种具有高效C-C偶联性能的金属材料。但是有越来越多的研究发现，一些非Cu金属化合物或者非金属材料同样能够催化CO₂还原得到多碳产物。这些催化材料的反应机理是否和Cu基材料具有相似性？这些材料的电子结构和Cu相比有哪些共同点和不同点？能否参照Cu的电子结构设计非Cu催化剂？

在器件设计方面，目前所采用的电解反应器几乎都源自电池。例如flow cell源自液流电池，膜电极反应器源自氢氧燃料电池。但是这些电解池始终面临着难以克服的水淹、盐析等问题，难以保持大电流密度下的长期稳定性（超过2000小时）。如何跳出以往电池、电解池设计的范畴和制约，获得下一代电解反应器？未来的电解反应器应该采取什么构型？

在学科交叉方面，CO₂加氢反应的催化剂设计理念能否应用于电催化剂的创制？一些经典的CO₂加氢催化剂，例如Fe基催化剂，为何难以在CO₂还原的条件下获得碳氢产物？导致CO₂还原和CO₂加氢的产物分布发生明显变化的微观原理是什么？

5

AMR：您有什么科研心得想分享给读

者们？

巩金龙教授：

做科研，要有使命感。如果从价值上认同一件事必须要做好，那么这件事就会由“要我做”变成“我要做”。这样自己做科研就是“价值驱动”，而这份“价值”，来源于自己对“使命式”科研的深刻认识。

选择课题时，不仅是看眼前要做什么，更要弄清楚科研的规律。通过明确当前方位，做一个“外延式曲线”，预测未来的技术怎么发展。避免做“跟风式、追热式”的科研。

尝试做一个科研领域的“一根筋的犯二青年”。科学研究是创造性的，是向未知领域的不断探究，这是一项艰苦且没有捷径的工作，踏踏实实地做事才是唯一可能通往成功的道路。“一根筋”就是要有耐得住寂寞、心无旁骛地做科研的决心。生活中总是有太多的诱惑，要平复躁动的心，沉浸在科学研究里，可能会有些“二”。

6

AMR：您对该领域的人才培养有何种

倡议？

巩金龙教授：

教书育人是教师的第一学术责任。一个科研团队要注意学科专业方向的交叉融合。研发的整个链条、各个环节都需要有专业人士深度参与，而且还要有教育情怀，只有这样，才能为培养新工科创新人才提供优质条件和环境。

我们必须更加重视教育链与其他链条的融合，既要加强对工科专业教师工程能力的培养，使他们了解前沿业界需求，也要鼓励企业的卓越科学家、工程师来大学当教师，把他们的工程经验反馈到教学科研当中。

作者团队简介

巩金龙教授：天津大学“新能源化工”团队负责人，欧洲科学院（Academia Europaea）外籍院士，英国皇家化学学会会士，中国化工学会会士。国家自然科学基金创新研究群体负责人。在Science、Nat. Nanotechnol.、Nat. Energy、Nat. Rev. Chem.、Nat. Rev. Mater.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.国际期刊上发表论文340余篇，被引用30000余次；申请美国、中国发明专利120余件，其中60余件已获授权。

王拓教授：天津大学化工学院教授，博士生导师，美国德州大学奥斯汀分校博士，国家优秀青年基金获得者。研究方向主要集中在半导体薄膜材料。

赵志坚教授：天津大学化工学院教授，博士生导师，德国慕尼黑工业大学博士，美国斯坦福大学博士后，国家“青年拔尖人才”获得者，Chemical Engineering Science期刊副主编。研究方向主要为利用多尺度模拟方法探究多相催化反应机理。

张恭：天津大学化工学院“新能源化工”团队在读博士研究生，2017年于天津大学获得学士学位。目前研究方向主要为CO₂/CO电化学还原制备可持续燃料和化学品。

李璐璐：天津大学化工学院“新能源化工”团队在读博士研究生，2017年于大连理工大学获得学士学位。目前研究方向主要为大数据驱动的电催化剂设计和电化学反应界面理论研究。

图2 天津大学“新能源化工”团队合影

---

推荐阅读

蔻享学术 平台介绍

蔻享学术平台，国内领先的一站式科学资源共享平台，依托国内外一流科研院所、高等院校和企业的科研力量，聚焦前沿科学，以优化科研创新环境、传播和服务科学、促进学科交叉融合为宗旨，打造优质学术资源的共享数据平台。

识别二维码，

下载 蔻享APP  查看最新资源数据。

点击阅读原文，查看更多！