文章导读
你是否想过，二氧化碳竟能高效“变身”为高价值乙醇？西安交大石建稳教授团队近日突破CO2电催化还原难题，首创六边形金字塔结构Cu催化剂，通过三种晶面“接力催化”，在超低电位下实现79.79%的乙醇法拉第效率，远超现有水平。这项兼具理论深度与工业潜力的研究，不仅揭示了晶面协同催化新机制，更让碳资源高效利用迈出关键一步。成果已发表于《应用催化B：环境和能源》，为“双碳”目标提供了全新路径。
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电催化二氧化碳还原（CO2RR）能将温室气体CO2转化为高附加值化学品，不仅可以实现CO2的资源化利用，还能将可再生电能以化学能形式存储，是助力实现“双碳”目标的重要途径。在众多CO2RR产物中，乙醇因其高能量密度特性及作为重要有机合成原料的地位，兼具战略意义与商业前景。然而，CO2还原反应路径复杂，多产物竞争导致乙醇选择性偏低。因此，探明CO2向乙醇产物转化的关键影响因素，并通过精确的催化剂设计促进CO2向乙醇产物的高效转化，是实现碳资源高效利用面临的重大挑战。
近日，西安交通大学电气工程学院、电工材料电气绝缘全国重点实验室新型储能与能量转换纳米材料研究中心石建稳教授团队，通过理论计算预测结合实验合成验证，成功研发出具有优异乙醇产物选择性的六边形金字塔结构Cu电催化剂（Cu-N-300）。团队通过DFT理论计算发现，Cu电催化剂中(111)、(100)、(110)三种低指数晶面周期性交替暴露可形成“接力催化”机制：(111)晶面激活CO2生成*CO中间体，(100)晶面促进*CO中间体的不对称C-C耦合，(110)晶面完成加氢步骤，三者协同构建顺畅的乙醇生成路径；基于理论计算预测结果，团队创新采用柠檬酸钠螯合与阴离子特异性吸附协同电沉积策略，以Cu(NO3)2为前驱体精准控制Cu离子释放速率和晶面生长选择性，成功合成出具有交替(111)、(100)和(110)晶面暴露特征的六边形金字塔结构Cu催化剂。其中，(100)与(111)晶面沿轴向交替生长，界面应变效应诱导在交界处形成大量(110)晶面，为催化反应提供充足协同位点，实现CO2向乙醇高效转化。原位红外光谱证实，催化剂表面快速生成*CO中间体，经线性*CO与桥连*CO不对称耦合形成C2中间体，并最终加氢转化为乙醇产物，验证了该催化体系中的“接力催化”机制。在-0.215 V vs. RHE 的超低电位下，Cu-N-300催化剂的乙醇法拉第效率（FE）高达79.79%，远超现有多数Cu基催化剂，且在18小时长期电解测试中无明显衰减，展现出良好工业应用潜力。
该研究成果以《通过充分暴露六边形金字塔Cu中的周期性低指数晶面，在超低电位下促进 CO₂电催化转化为乙醇》（Promoting the electrocatalytic conversion of CO₂ to ethanol at ultra-low potential by fully exposing periodic low-index facets in hexagonal pyramidal Cu）为题，发表于能源催化领域顶级期刊《应用催化B：环境和能源》（Applied Catalysis B: Environmental and Energy，影响因子 21.1）。论文第一作者为西安交通大学马丹丹副教授、硕士生陈健涛为学生一作，石建稳教授为唯一通讯作者，西安交通大学为该论文唯一完成单位。
该项研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、陕西省创新能力支持计划项目、西安交通大学基础研究项目、电工材料电气绝缘国家重点实验室青年基金联合资助，西安交通大学分析测试中心为样品表征提供了重要支持。
论文链接: https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2026.126423
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这催化剂设计太秀了，六边形金字塔是懂的😂