乔世璋&焦研JACS：氧化铜基催化剂上CO电还原对C2+的选择性!

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研究内容

铜是催化二氧化碳电还原反应（CRR）生成多碳产物的唯一元素。最近，氧化铜基（CuO_x）催化剂吸引了越来越多的兴趣，因为它们可以通过组成和结构工程来调节目标产物的产率和选择性。设计用于CO₂电还原为多碳（C₂₊）燃料的高选择性催化剂是紧迫而重要的。然而，目前对C₂₊的选择性了解不足。

澳大利亚阿德莱德大学乔世璋&焦研首次报告了一种结合量子化学计算、人工智能（AI）聚类和实验的方法，用于开发C₂₊产物选择性与氧化铜基催化剂组成之间关系的模型。1）证明氧化的Cu表面更显著地促进了C-C耦合，2）通过从头算热力学计算证实了在不同金属掺杂组分下该氧化态的临界电势条件，3）使用基于掺杂元素物理性质的多维标度（MDS）结果，在实验法拉第效率和临界电势之间建立倒火山关系，以及4）演示了电催化剂的设计，通过早期和晚期过渡金属的共掺杂策略选择性地产生C₂₊产物。相关工作以“C₂₊Selectivity for CO₂ Electroreduction on Oxidized Cu-Based Catalysts”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1. 作者确认反应决定步骤是C-C偶联，并证明其促进促进C₂₊增值化学品或C₁产物的形成。通过密度泛函理论（DFT）计算确定了影响表面Cu活性位点上C-C耦合的因素，证明适度的OS_Cu（ca. +0.5）是最有利的，并使用从头算热力学和表面Pourbaix图来建立显示OS_Cu结构的临界电化学势条件。

要点2. 为了证实不同过渡金属掺杂元素对CuO_x催化剂电化学性能的影响，结合临界OS_Cu过渡电势，使用基于物理特征的人工智能（AI）聚类来搜索最佳区域。进一步解释了CRR的选择性是基于C₂₊产物的法拉第效率，该效率由实验和计算AI聚类的结果确定，并提出了新发现的C₂₊选择性与Cu氧化态转变的临界条件之间的倒火山关系。

要点3. 理论计算、人工智能聚类和实验的结合可以用于实际建立复杂反应的描述符和选择性之间的关系。研究结果将有利于研究人员设计CO₂到多碳C₂₊产品的电还原转化。

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研究图文

图1. 具有不同表面结构的Cu（OS_Cu）氧化态基准。

图2. OS_Cu调节的吸附性能和反应性。

图3. CO₂电还原为C₂产物中，C-C偶联的反应机理。

图4. 杂原子对t-CuO（001）表面Pourbaix图的影响。

图5. 基于物理性质的杂原子元素图。

图6. 铜基催化剂C₂₊产物的实验法拉第效率（FE）。

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文献详情

C₂₊ Selectivity for CO₂Electroreduction on Oxidized Cu-Based Catalysts

Haobo Li, Yunling Jiang, Xinyu Li, Kenneth Davey, Yao Zheng, Yan Jiao,* Shi-Zhang Qiao*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c03022