利用可再生電力將CO2電催化還原為有價值的化學(xué)品，為CO2的回收和利用提供了一條可持續(xù)的途徑。在過去的幾十年中，通過電催化CO2還原反應(yīng)(CO2RR)生成單碳產(chǎn)物(特別是CO和CH3COOH)的研究取得了巨大的進(jìn)展。然而，由于C1產(chǎn)物的價值低，從CO2RR中生產(chǎn)多碳產(chǎn)品比C1產(chǎn)品更具吸引力。

目前，Cu已被證明是唯一能有效催化CO2成為多碳產(chǎn)物的金屬，然而純Cu表面上緩慢的C-C偶聯(lián)動力學(xué)嚴(yán)重阻礙了多碳產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)。因此，目前迫切需要開發(fā)有效的策略來對Cu進(jìn)行修飾改性以改善Cu基催化劑生產(chǎn)的多碳產(chǎn)品的性能。

基于此，滑鐵盧大學(xué)吳一民、譚忠超和卡爾加里大學(xué)Samira Siahrostami等開發(fā)了一種AgCu單原子和納米粒子級聯(lián)催化劑(AgCu SANP )，其中AgCu單原子合金(SAA)作為C-C偶聯(lián)位點(diǎn)，而Ag納米顆粒(NP)用于產(chǎn)生CO。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計算表明，Ag單原子摻雜Cu NP時，由于Cu原子與相鄰Ag原子的不對稱成鍵以及壓應(yīng)變作用，使得*CO在Cu位上的吸附能大大增加，從而使C-C耦合能力比純Cu NP有明顯提高。同時，納米顆粒中有更多的未配位的Ag位點(diǎn)，這些低配位的Ag原子在CO2還原為CO的反應(yīng)中最為活躍。因此，Ag原子起著以下兩個關(guān)鍵作用：1.促進(jìn)CO2還原為CO；2.CO原子溢出到這個不對稱的活性位點(diǎn)，加速了C-C偶聯(lián)反應(yīng)。綜上，AgCu SAA和Ag NP的級聯(lián)催化作用是產(chǎn)生高C2+選擇性的主要原因。

電化學(xué)測試結(jié)果顯示，在堿性電解質(zhì)流動池中，AgCu SANP級聯(lián)催化劑在720 mA cm?2電流密度下(?0.65 V)的多碳產(chǎn)物的法拉第效率為94±4%，遠(yuǎn)高于Cu NP (56±7%)、AgCu SAA (78±3%)和AgCu NP (73±1%)。

此外，當(dāng)進(jìn)料CO2濃度降低到20%時，AgCu SANP對CO2RR的FE為95±2%，對C2+產(chǎn)物的FE為76±1%；當(dāng)CO2氣體濃度從15%降至10%時，C2+ FE從57±6%(占總CO2RR的70%)降至35±1%(占總CO2RR的43%)，表明AgCu SANP在實(shí)際條件下具有廣闊的應(yīng)用前景。綜上，該項(xiàng)工作不僅報道了一種高效的多碳產(chǎn)品生產(chǎn)催化劑，而且為未來選擇性C2+產(chǎn)物的生產(chǎn)提供了一種級聯(lián)催化策略。

Cascade Electrocatalysis via AgCu Single-atom Alloy and Ag Nanoparticles in CO2 Electroreduction toward Multicarbon Products. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-41871-w