用于高选择性且持久的二氧化碳电还原制乙烯的席夫碱网络协同修饰铜表面研究

在工业化进程中，二氧化碳的大量排放已成为引发气候变化的严峻挑战，因此开发高效的二氧化碳转化技术以生产高附加值化学品具有重要的战略意义。在众多的技术路径中，电催化二氧化碳还原反应因其环境友好性以及与可再生能源集成的高度潜力，被视为实现碳中和目标前景的手段。在各类金属催化剂中，铜基催化剂因其独特的能生成多碳产物的能力，以及低廉的成本优势，成为了目前希望实现规模化应用的候选材料。

然而铜基催化剂在实际应用中仍面临着选择性低和稳定性差这两大核心挑战。一方面由于碳碳偶联过程极其复杂且伴随着剧烈的竞争性析氢反应，催化剂难以在工业级电流密度下维持较高的乙烯选择性。另一方面在产生多碳产物所需的高过电位条件下，铜基催化剂极易发生结构重构、破碎或溶解，这种动态的不稳定性严重缩短了催化剂的使用寿命，阻碍了其工业化进程。因此开发能够同时兼顾高选择性与长效耐久性的新型铜基催化系统，是当前该研究领域需解决的瓶颈问题。

针对上述问题，由福州大学等组成的团队利用泽攸科技的原位TEM测量系统进行了系统研究，通过引入富氮的席夫碱网络对铜纳米颗粒表面进行协同修饰，成功开发出一种能在高电流密度下兼顾高乙烯选择性与耐久性的新型电催化剂。

研究团队针对铜基催化剂活性位点易失活的问题，开发出一种独特的协同修饰策略，通过将具有不同晶面的铜纳米颗粒与富氮席夫碱网络（SNW）进行耦合，构建了紧密接触的核壳或部分包覆结构。实验成功合成了立方体、球形和四面体三种形貌的铜纳米颗粒，并利用SNW的高二氧化碳吸附能力，在活性位点周围形成了局部的反应物富集区。这种结构设计不仅通过电子相互作用优化了铜表面的电荷分布，还利用SNW的疏水性减少了电解液对金属表面的直接侵蚀，从而为提升反应选择性和结构稳定性奠定了物质基础。

图1 结构与化学表征

图2 物相组成与表面化学状态

在电化学性能评估中，研究人员发现催化剂的乙烯产率表现出显著的晶面依赖性，其中暴露（200）晶面的立方体铜组分在产物转化中占据核心优势。实验结果证实，经过SNW修饰后的立方体铜催化剂在每平方厘米265毫安的高电流密度下，乙烯的法拉第效率达到了71.2%，这一数值远超未修饰的纯铜材料以及其他形貌的对比组。这种性能的飞跃归因于SNW与铜（200）晶面之间的协同效应，它通过降低关键中间产物的偶联能垒，有效地抑制了副产物一氧化碳和氢气的生成。

图3 二氧化碳电还原性能

图4 原位电化学扫描透射电子显微镜观测

为了揭示催化剂在真实反应环境中的动态稳定性，研究团队采用了高时空分辨率的实时监测手段，其中泽攸科技提供的原位静态液体电化学杆发挥了关键作用。通过配备泽攸科技原位样杆的透射电子显微技术，研究人员能够清晰观测到在强还原电位下，纯铜颗粒会从角部开始发生剧烈的腐蚀、重构甚至溶解，而受到SNW保护的催化剂则保持了形貌的完整性。这种直接的微观证据准确地证明了有机网络层能够起到类似链甲的保护作用，通过物理阻隔和电子稳定机制，显著延长了催化剂在苛刻工况下的服役寿命。

图5 反应中间体的光谱分析

图6 理论研究

在机理深层探索阶段，研究结合了原位红外光谱与理论模拟技术，系统地还原了二氧化碳转化为乙烯的分子路径。光谱分析捕捉到了关键的含碳中间体信号，证实了SNW的存在加速了氢化步骤并促进了碳碳偶联过程。密度泛函理论计算进一步表明，电荷从铜向SNW的转移使界面处的氮位点成为理想的吸附中心，将限速步骤的自由能显著降低，从而在热力学和动力学双重维度上解释了该催化系统为何能同时实现高效率与高稳定性。

FEI原位静态液体电化学杆

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。