南京航空航天大学Advanced Materials:三维有序大孔La₂CuO₄催化剂的界面微环境调控及其高效电化学还原CO₂制C₂+化学品研究

研究背景

随着全球工业化进程的加速，二氧化碳（CO₂）排放量急剧增加，导致全球气候变暖成为亟待解决的重大环境问题。为了实现碳中和目标，开发有效的CO₂转化技术，将其转化为高附加值化学品或燃料，成为科学界和产业界的共识。电化学CO₂还原反应（CO₂RR）作为一种将CO₂和可再生电力转化为有价值化学品和燃料的有效途径，近年来受到广泛关注。然而，要实现CO₂RR的工业化应用，必须开发出在高电流密度下仍能保持高活性和选择性的催化剂，这是当前面临的主要挑战。

铜基催化剂因其独特的促进C-C偶联和生成C₂+产品的能力，在CO₂RR中表现突出。然而，铜基催化剂的性能受其动态结构和化学重构过程的影响显著，特别是在高电流密度和高度负电位条件下操作时，这一重构过程更为关键。因此，如何通过合理的催化剂设计和界面微环境调控，加速并引导铜氧化物的重构，生成具有高活性和选择性的铜物种，成为当前研究的热点。

研究内容

本研究通过构建三维有序大孔（3DOM）结构的层状钙钛矿La₂CuO₄催化剂（简称3DOM-La₂CuO₄），实现了对CO₂RR的高效催化。研究内容主要包括催化剂的合成、表征及其在CO₂RR中的性能评估。

采用PMMA硬模板策略成功合成了具有3DOM结构的La₂CuO₄催化剂。通过SEM、TEM、XRD等表征手段确认了催化剂的3DOM结构及其高结晶度。

N₂吸附测量显示，3DOM-La₂CuO₄具有显著高于块体催化剂的比表面积（56.4 m²/g vs. <1 m²/g），且孔径分布以约3.67 nm的介孔为主。

CO₂RR性能评估：

在流动池配置中，使用1 M KOH作为电解质，评估了3DOM-La₂CuO₄的CO₂RR性能。线性扫描伏安法（LSV）显示，在CO₂气氛下，所有催化剂均表现出优异的CO₂RR活性，且3DOM-La₂CuO₄的电流密度显著高于块体La₂CuO₄和商业纳米CuO（com-CuO）。

在-2.0 V vs. RHE电位下，3DOM-La₂CuO₄实现了70.4%的C₂+法拉第效率（FE C₂+），远高于块体La₂CuO₄（50.5%）和com-CuO（58.2%）。

在-2.6 V vs. RHE电位下，3DOM-La₂CuO₄的C₂+部分电流密度高达585 mA/cm²，是块体La₂CuO₄（238 mA/cm²）和com-CuO（424 mA/cm²）的数倍，显示出卓越的催化活性。

在膜电极组件（MEA）中，3DOM-La₂CuO₄在600 mA/cm²的高电流密度下稳定运行约200小时，且C₂H₄选择性保持在约70%，表现出优异的耐久性。

工作创新点

多因素界面微环境调控：

本研究首次通过构建3DOM结构，同时强化了催化剂表面的电场、提高了局部pH值并加速了界面质量传输，实现了对铜氧化物重构过程的多因素调控。FEM模拟结果显示，3DOM结构显著增强了表面电场强度（提高88%），加速了OH⁻的生成和扩散，从而提高了局部pH值，并促进了CO₂的快速供应和*CO中间体的覆盖。

快速且完全的重构过程：

3DOM-La₂CuO₄在CO₂RR条件下迅速且完全地重构为富含晶界的纳米铜（nano-Cu₀）结构，这种结构富含适度未饱和配位的铜原子和压缩晶格应变，为C₂+产物的形成提供了高活性的催化位点。

优异的催化性能和耐久性：

3DOM-La₂CuO₄不仅在高电流密度下表现出卓越的C₂+选择性和活性，还在MEA配置中展现了长达200小时的稳定运行能力，显著优于大多数已报道的铜基催化剂。

原文信息

B.Li, X.Xue, S.Hong, et al. 3DOM Perovskite Enabled Interfacial Microenvironment Regulation With Accelerated Complete Reconstruction to Grain-Boundary-Rich Nano-Copper for High-Current C2+ Electrosynthesis. Advanced Materials (2026): e73086. https://doi.org/10.1002/adma.73086

声明：本文内容用于科研进展分享，详细内容请参考原文，如有侵权，请联系后台小编删除。