第一作者：Tao Zhang, Bao Zhang, Yipeng Zang

通訊作者：范紅金, 李越

通訊郵箱：新加坡南洋理工大學(xué)、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院/天津工業(yè)大學(xué)

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具有定制選擇性的金–銅（Au–Cu）基催化劑的大規(guī)模生產(chǎn)是一項復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。本文報道了一種基于金納米球種子的半親和策略，以實現(xiàn)具有連續(xù)調(diào)節(jié)界面（從二聚體、Janus、橡子狀Janus到核殼）的Au–Cu?Janus納米晶體的合成，強調(diào)了界面應(yīng)變的作用。

通過精細(xì)調(diào)節(jié)Cu的氧化態(tài)和活性位點上的一氧化碳物種（?CO）覆蓋率/吸附構(gòu)型，所提出的Au-Cu催化能夠在高電流密度下選擇性地生產(chǎn)甲醇（CH₃OH）、乙烯（C₂H₄）和乙醇（C₂H₅OH）。通過原位表面增強拉曼光譜（SERS）和理論計算揭示了反應(yīng)路徑。

圖文導(dǎo)讀

圖1：異質(zhì)結(jié)構(gòu)生長模式的分析和可調(diào)性，包括Volmer-Weber（VW）、Frank-van der Merwe（FM）和半親和生長模式的示意圖，以及基于界面應(yīng)變和接觸角的連續(xù)調(diào)節(jié)界面的示意圖。

圖2：Au-Cu異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成和表征，包括合成示意圖、Au納米球的低分辨率TEM圖像、Au-Cu異質(zhì)結(jié)構(gòu)的TEM、HAADF-STEM圖像。

圖3：Au-Cu異質(zhì)結(jié)構(gòu)中接觸區(qū)域的連續(xù)調(diào)節(jié)，以及在不同Au-Cu異質(zhì)結(jié)構(gòu)下局部電場分布的模擬。

圖4：不同催化劑的電子結(jié)構(gòu)比較，包括UV-Vis-NIR光譜、Cu 2p XPS光譜。

圖5：1 M KOH水溶液中CO₂RR性能的測試結(jié)果，包括不同電化學(xué)催化劑上檢測到的產(chǎn)品的法拉第效率（FE）作為施加電池電壓的函數(shù)。

圖6:原位SERS分析和理論計算對CO₂RR機制的深入理解，包括在不同電流密度下Au-Cu_I、Au-Cu_II和Au-Cu_III的原位SERS光譜，以及密度態(tài)（DOS）分析。

總結(jié)展望

本研究通過半親和生長模式實現(xiàn)了Au-Cu異質(zhì)結(jié)構(gòu)的合成，這些結(jié)構(gòu)從二聚體到核殼模式連續(xù)轉(zhuǎn)變。通過系統(tǒng)研究Au-Cu異質(zhì)結(jié)構(gòu)中空間分布的銅對CO₂RR選擇性的影響，實現(xiàn)了C₂₊產(chǎn)品80.0%的優(yōu)化法拉第效率，以及466.1 mA cm^-2的部分電流密度。

通過調(diào)節(jié)Au-Cu異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面，可以切換特定產(chǎn)品的法拉第效率，例如可以將液體產(chǎn)品中72 %的甲醇（二聚體）、78%的乙醇（Janus）和氣體產(chǎn)品中63%的乙烯（橡子狀Janus）轉(zhuǎn)換為107、230和226mA cm^-2的局部電流密度。此外，通過原位SERS和DFT理論計算，研究了反應(yīng)機制。本工作代表了在電催化CO₂RR選擇性開關(guān)方面的重要進展。

文獻信息

標(biāo)題：A selectivity switch for CO₂ electroreduction by continuously tuned semi-coherent interface

期刊：Chem

DOI：10.1016/j.chempr.2024.04.009