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電化學(xué)CO₂還原為高附加值化學(xué)品或燃料提供了一種很有前途的方法來(lái)減少碳排放和緩解能源短缺，其中銅（Cu）基電催化劑被廣泛報(bào)道能夠還原CO₂以生產(chǎn)各種多碳（C₂₊）產(chǎn)品（乙烯、乙醇等）。

基于此，香港城市大學(xué)劉彬教授和北京林業(yè)大學(xué)王強(qiáng)教授等人報(bào)道了硫（S）摻雜的Cu₂O電催化劑，其可以電化學(xué)地將CO₂還原為幾乎完全甲酸。作者證明了在Cu₂O-電解質(zhì)界面上存在S的動(dòng)態(tài)平衡，并且在CO₂還原反應(yīng)（CO₂RR）中，S摻雜的Cu₂O進(jìn)行了原位表面重構(gòu)，生成了活性的S吸附金屬Cu位點(diǎn)。

通過(guò)DFT計(jì)算，作者研究了CO₂RR的反應(yīng)能量。作者模擬了Cu(111)和S-吸附Cu(111)（1/2 S覆蓋）表面上的CO₂RR中間體，S-吸附Cu(111)上的DFT優(yōu)化幾何結(jié)構(gòu)表明，CO₂轉(zhuǎn)化為CO途徑中的*COOH通過(guò)C原子結(jié)合到S原子上，而CO₂轉(zhuǎn)化為甲酸/甲酸途徑中的*OCHO通過(guò)兩個(gè)O原子結(jié)合到Cu原子上。

當(dāng)*OCHO中間體與Cu原子結(jié)合時(shí)，在Cu(111)表面具有高覆蓋率的S原子會(huì)發(fā)生遷移，而在*COOH吸附的S-吸附Cu(111)表面，S原子的排列幾乎保持不變。在*OCHO途徑中，S-吸附Cu(111)的S原子遷移的能壘為0.48 eV。

對(duì)于*OCHO途徑，*CO₂經(jīng)過(guò)S遷移后可以接近Cu原子，從而氫化后與Cu原子結(jié)合形成*OCHO中間體。在*COOH途徑中，*CO₂不經(jīng)S遷移直接接近S原子表面，通過(guò)與S原子氫化生成*COOH。

電荷密度差表明，Cu(111)/S-吸附Cu(111)與*CO₂之間沒(méi)有明顯的電子轉(zhuǎn)移，而存在分子間作用力。對(duì)于*CO₂吸附S-Cu(111)的兩種構(gòu)型，*COOH途徑中*CO₂和S原子中間的電荷積累區(qū)僅與S原子相鄰，而*OCHO途徑中的電荷積累區(qū)同時(shí)靠近S原子和Cu原子。

Sulfur Changes the Electrochemical CO₂ Reduction Pathway over Cu Electrocatalyst. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202310740.

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劉彬/王強(qiáng)Angew.：S改變Cu電催化劑上CO2還原途徑

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