「上海岱算科技有限公司」已向境内外230余家高等院校/科研院所提供了累计1400多项模拟计算服务，赋能科学研究提速增效！合作实验课题组在线发表学术论文期刊有ACS系列、AM系列、Angew、CEJ、EST、JACS、Matter、Nature子刊等，助力科研工作锦上添花！电化学CO₂还原（eCO₂R）生成有价值的化学品或燃料，为缓解能源危机和环境挑战提供了一种有效解决方案，降低eCO₂R目标产物的过电位对于实现高能量效率至关重要。
2026年04月27日，南京林业大学夏常磊、谢欢团队在Advanced Energy Materials期刊发表题为“Ultralow-Overpotential CO Production from Electroreduction of CO2 on a Hydroxyl-Enriched Heterojunction”的研究论文，谢欢为论文第一作者，夏常磊、谢欢为论文共同通讯作者。
第一作者：谢欢
通讯作者：夏常磊、谢欢
通讯单位：南京林业大学
论文DOI：10.1002/aenm.71003
该研究报道了具有内建电场的CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）纳米片（NSs）p-n异质结，该电场增强了表面羟基覆盖度，从而通过eCO₂R大幅降低了CO生产的过电位。在极低过电位（130mV）下，CO的法拉第效率（FE）达到了96.5%，这是目前已报道的CO生产催化剂中最低的过电位之一。此外，该eCO₂R系统与商业三结太阳能电池集成，表现出7.9%的平均太阳能到CO的转换能量效率，CO产率为0.73 mmol h⁻¹ cm⁻²。CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结中的内建电场提高了铜离子的氧化态（Cuᵟ⁺，δ=2.14），通过低过电位下的强静电吸引增强了表面羟基覆盖度，从而稳定了*COOH中间体并促进了*CO的解吸。该研究通过调控表面羟基覆盖度，为实现高能效的eCO₂R提供了一种新的解决方案。
大量研究致力于构建人工碳循环系统，以有效应对全球过度CO₂排放，从而努力实现零碳排放的长期目标。在现有的策略中，电化学CO₂还原（eCO₂R）已成为一种在温和条件下转化CO₂的极具前景的方法。然而，引发CO₂还原反应并达到目标产物选择性所需的大过电位导致了相当低的能量转换效率。这在将eCO₂R与可再生能源（太阳能、风能、潮汐能等）集成时，为实现高能量效率设置了障碍。因此，设计具有更低目标产物过电位的催化剂对于提高eCO₂R的能量效率极具吸引力。
作为eCO₂R的主要产物之一，CO是通过费托合成制备烃类或合成燃料（如甲醇、乙酸和二甲醚）的原料。它也用于甲醇羰基化生产乙酸，并在钢铁冶金中充当还原剂。对于eCO₂R生成CO，贵金属基催化剂（如Au、Ag和Pd）因其对*COOH（生成CO的关键中间体）的强亲和力而表现出高活性和选择性。然而，它们的稀缺性和高昂价格阻碍了大规模商业化。此外，某些单原子催化剂（如Fe-N-C和Ni-N-C）因其独特的电子结构和最大程度暴露的活性位点，对CO生产表现出高选择性和显著活性。尽管如此，单原子催化剂的制备过程通常复杂且耗时，这为其未来商业化设置了障碍。因此，开发采用地球储量丰富元素、通过简便工艺制备、且具有低过电位用于高选择性CO生产的催化剂仍然是一项巨大挑战。
近期研究表明，eCO₂R过程中催化剂表面的微环境（如*OH覆盖度）对目标产物的活性和选择性起着重要作用。促进的水解离增强了富含氧空位的Bi₂O₂CO₃表面的*OH覆盖度，促进了eCO₂R生成甲酸盐。在eCO₂R过程中，表面含氧或羟基物种通常出现在Cu表面，这修饰了表面微环境。Cu表面的表面羟基与界面水形成非共价相互作用，增强了Cu箔上的C₂₊产物。此外，通过用富羟基葡萄糖作为还原剂、葡萄糖酸作为封端剂制备Cu₂O纳米粒子所创造的羟基化环境，也通过增强*CO吸附而有利于C₂₊产物。这些研究强调了表面羟基在提高eCO₂R活性和选择性方面的有益作用。此外，异质结的构建提供了一种调控催化剂原子和电子构型的有效方法，从而作为调控催化剂表面微环境的有效策略。
在此，该研究证明了CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）纳米片（NSs）p-n异质结中的内建电场有效提高了表面羟基覆盖度，从而导致eCO₂R生成CO的过电位显著降低。在气体扩散流动池中，在仅130mV的极低过电位下，CO的FE达到了96.5%，这是目前已报道的CO生产催化剂中最低的过电位之一。CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结中的电子再平衡有效提高了铜离子的氧化态（Cuᵟ⁺，δ=2.14），通过强静电吸引增强了表面*OH的覆盖度，从而增加了*COOH中间体的吸附强度，进而显著降低了CO生产的过电位。该研究通过调控表面羟基覆盖度，为实现高能效eCO₂R提供了一种新的解决方案。
图1|(a) CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结的球差校正STEM图像和(b) AFM图像以及相应的高度轮廓（比例尺200nm），(c) HRTEM图像，(d) 球差校正HAADF-STEM图像，以及CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结的EDS元素mapping图像：(e) Cu（青色），(f) In（玫瑰红），(g) Cu和In，以及(h) O（绿色），(i) Cu和In元素的线扫描曲线，(j) 不同催化剂的XRD图谱，不同催化剂的高分辨率XPS光谱 (k) Cu 2p电子。
图2|(a) CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结、Cu箔和CuO粉末的Cu K边XANES光谱，(b) CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结、In箔和In₂O₃粉末的In K边XANES光谱，(c) 不同催化剂的Cu K边k³加权和(d) In K边k²加权FT-EXAFS光谱，(e) 不同样品的相应FT-EXAFS拟合曲线，Cu K边EXAFS的小波变换2D等高线图：(f) CuO粉末和(g) CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结，以及In K边EXAFS的小波变换2D等高线图：(h) In₂O₃粉末和(i) CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结。
图3|(a) 在CO₂饱和的0.1M KHCO₃电解质中，不同催化剂在流动池中的LSV曲线，(b) 不同催化剂上eCO₂R产物的FE，(c) CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结与其他对照样品在不同电位下的FECO比较，(d) 该工作中的FECO和过电位与近期报道的用于eCO₂R生成CO的电催化剂的比较，(e) 该工作中的JCO与近期报道的其他催化剂的比较（几何面积归一化），(f) CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结在-0.37V vs. RHE下的长期稳定性测试，(g) 不同催化剂的Cdl（双层电容）比较，(h) 不同催化剂的ECSA归一化JCO比较，(i) 不同催化剂上eCO₂R生成CO的Tafel图。
图4|(a) 太阳能驱动的eCO₂R系统示意图，(b) 太阳能电池的I-V曲线和全电池中eCO₂R的LSV曲线（电流密度归一化到太阳能电池的面积），(c) 太阳能驱动系统中的电流密度和CO的FE，(d) 太阳能到CO的转换EE，(e) CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结和(f) CuO NSs在不同电位下于0.1M KHCO₃溶液（V vs. RHE）中的原位拉曼光谱，(g) 使用DMPO作为捕获剂，在不同催化剂的CO₂饱和0.1M KHCO₃电解液中电解1小时后的电解质EPR光谱，(h) CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结和(i) CuO NSs在CO₂饱和0.1M KHCO₃电解液中于所研究电位下的原位ATR-FTIR光谱。
图5|(a) 优化的CuO(111)、In₂O₃(411)和CuO/In₂O₃异质结表面的原始结构，(b) CuO(111)、In₂O₃(411)和CuO/In₂O₃异质结表面的二维表面Pourbaix图，(c) eCO₂R生成CO和HCOOH与HER反应的反应能比较图，(d) 连接不同中间体的三种模型的COHP分析，注意使用-COHP作为a轴，(e) 以上三种模型连接不同中间体（*COOH@CuO, *CO@CuO, *COOH@In₂O₃, *COOH@CuO/In₂O₃）的差分电荷密度。黄色和青色等值面分别代表电荷积累和消耗。等值面值设置为0.003 e Å⁻³。铜球、红球、粉球、灰球和洋红色球分别代表Cu、O、In、C和H。
总之，该研究在CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs p-n异质结上实现了CO生产过电位的显著降低以及优异选择性。在气体扩散流动池中，CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结上仅在130mV的过电位下即可达到96.5%的CO法拉第效率，这显著优于CuO和In₂O₃NSs，并且是已报道的CO生产催化剂（FE > 90%）中最低的过电位之一。CO生产活性和选择性的这种显著增强可以通过低过电位下表面*OH覆盖度的增加来解释，这是由于CuO/In₂O₃（Cu₄.₂In₁）NSs异质结中的内建电场提高了铜离子的氧化态（Cuᵟ⁺，δ=2.14），从而促进了水解离，并通过低过电位下的强静电吸引效应吸附了*OH。表面*OH在CO形成过程中稳定了*COOH中间体，并促进了*CO的解吸。此外，该CO₂R系统与商业三结太阳能电池集成，实现了7.9%的太阳能到CO的转换能量效率，CO产率为0.73 mmol h⁻¹ cm⁻²。该研究为降低CO₂R的过电位提供了一种新的解决方案，这为将可再生能源与CO₂升级转化耦合实现高能量效率转换铺平了道路。
