可再生電力驅(qū)動的CO₂電催化還原反應(yīng)(eCO₂RR)將CO₂轉(zhuǎn)化為有價值的化學物和碳基燃料，是實現(xiàn)碳中和和儲存剩余電能的潛在途徑。在Cu基催化劑上，CO₂能夠電催化轉(zhuǎn)化為多碳(C₂₊)產(chǎn)物(如氣態(tài)乙烯和液態(tài)乙醇)。與乙烯相比，乙醇具有能量密度高(26.8 MJ kg^?1)、易于儲存和運輸?shù)葍?yōu)點，因此引起了研究人員的極大興趣。

同時，乙烯和乙醇共享一個關(guān)鍵的分支中間體(即*CH₂CHO)：斷裂*CH₂CHO的C-O鍵可以得到乙烯，*CH₂CHO進一步加氫可以得到乙醇。因此，想要提高eCO₂RR產(chǎn)物中乙醇的選擇性，需要開發(fā)合適策略來促進*CH₂CHO的形成和加氫，并抑制*CH₂CHO中C-O鍵的斷裂。

近日，中國科學院上海高等研究院陳為和魏偉等報道了一種具有微/納米結(jié)構(gòu)鱗片狀外層的硼摻雜銅高效電催化劑(B-Cu HPE)，其外層由金屬Cu和B組成，用于選擇性電催化CO₂轉(zhuǎn)化為乙醇。

實驗結(jié)果表明，在3.0 M KCl中，B-Cu HPE能夠高選擇性地將CO₂轉(zhuǎn)化為乙醇，其中乙醇部分電流密度高達1.25 A cm^-2，法拉第效率(FE)為52.4%，產(chǎn)率為3.87 mmol cm^-2 h^-1；并且B-Cu HPE能夠在2.4 A cm^-2電流密度下連續(xù)穩(wěn)定電解150個小時，在此過程中乙醇的法拉第效率(FE)在52%~47%之間波動。

原位紅外光譜和理論計算表明，B摻雜在Cu HPE表面誘導電子局域化，增加了兩個相鄰Cu原子之間的Cu-Cu距離，并通過從相鄰Cu原子中吸電子形成中等氧化態(tài)Cu^δ+(δ=0.47)物種，優(yōu)化了配位數(shù)(CN= 4.9)；B-Cu HPE表面Cu原子適中的氧化態(tài)和配位數(shù)有利于*CO_atop的形成，從而引發(fā)不對稱的*CO_atop和*CHO中間體C-C偶聯(lián)，實現(xiàn)乙烯選擇性轉(zhuǎn)化為乙醇。

總的來說，該研究證明了Cu基電催化劑上的部分正價Cu(Cu^δ+)位點對C-C偶聯(lián)形成C₂₊產(chǎn)物的重要作用，為設(shè)計更高效的電催化劑以實現(xiàn)安培級CO₂轉(zhuǎn)化為C₂₊提供了新策略。

Ampere-level CO₂-to-ethanol conversion via boron-incorporated copper electrodes. ACS Energy Letters, 2023. DOI: /10.1021/acsenergylett.3c01901