電化學CO2還原反應(CO2RR)具有將過量的CO2轉化為高附加值化學品的潛力，尤其是利用Cu基電催化劑能夠將CO2轉化為高能量密度的多碳(C2)產物。由于吸附的CO(*CO)中間體的二聚化被認為是生成C2產物的關鍵反應步驟，因此*CO表面覆蓋(θ*CO)是C2形成是關鍵的。吸附氫(*H)與碳物種的耦合能力對C2產物的選擇性也很重要，而不平衡的*H吸附和還原會導致析氫反應(HER)成為競爭副反應。增加θ*CO能夠降低*CO二聚的勢壘并抑制H2的形成，而過強的*CO結合也會削弱C-C偶聯(lián)。因此，對于催化劑設計來說，增加表面θ*CO并同時實現有效的C-C偶聯(lián)用于CO2到C2的轉化具有重要意義。
近日，復旦大學鄭耿鋒、徐昕和東華大學況敏等推測活性和惰性*CO結合位點的高度有序和間隔結構可以誘導非常規(guī)的表面吸附物結合行為，能夠局部促進θ*CO并減少*CO排斥，并基于此開發(fā)了一種原子有序的Cu9Ga4金屬間化合物作為CO2轉化為C2的高效電催化劑。
實驗結果和理論計算表明，Cu9Ga4催化劑含有具有延伸Cu-Cu距離的類Cu(100)正方形結構單元，其中Cu原子被具有低*CO或*H結合親和力的惰性Ga原子間隔；與Cu(100)或(111)面相比，方形Cu排列使得*CO的覆蓋率更高和更有效的C-C-偶聯(lián)，而Ga原子能夠削弱*CO排斥并抑制HER副反應。
因此，Cu9Ga4金屬間化合物表現出優(yōu)異的CO2-C2電還原性能，C2部分電流密度最高可達1207 mA cm?2，相應的法拉第效率(FE)為71%；當使用5 cm2 MEA電解槽時，Cu9Ga4電催化劑在300 mA cm?2的總電流密度下表現出>55h的高穩(wěn)定性，并且FEC2保持在約55%。
此外，MEA電解槽的尺寸進一步增加到25 cm2，Cu9Ga4催化劑在電流密度為2 A cm?2的情況下顯示出高CO2RR功率；當施加的電位穩(wěn)定在約4 V時，電解功率保持在200 W，并能連續(xù)進行3小時CO2電解，表明其具有商業(yè)化潛力。綜上，該項工作表明，通過合理設計和開發(fā)獨特的催化位點，促進關鍵中間體的形成和調控反應路徑，能夠有效促進CO2轉化為高附加值化學。
High-power CO2-to-C2 electroreduction on Ga-spaced, square-like Cu sites. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c10202
