利用可再生电力促进CO₂电化学还原（CO₂RR），是可持续的燃料生产和能源储存的一种有效策略。铜是唯一能够将二氧化碳转化为高附加值产品（如碳氢化合物和含氧化合物）的单金属电催化剂，但选择性差，活性一般。研究发现，通过多次氧化处理可以改善铜催化剂的性能。然而，关于增强机理目前仍然存在争议。

近日，清华大学陆奇副教授，美国特拉华大学Bingjun Xu，台湾成功大学Mu-jeng Cheng报道了CO₂与低浓度O₂共电解表面羟基物种的存在可以显著提高铜催化CO₂RR的活性。当通过共同进料CO₂和O₂（高达20％）与氧还原反应（ORR）结合时，CO₂RR中含氧化合物和碳氢化合物的生产率提高了216倍。

文章要点

1）原位表面增强拉曼光谱（SERS）显示，在CO₂RR条件下，微米级Cu颗粒上存在表面氢氧化物，这可能是由于发生ORR而形成。并通过其他实验和计算验证了表面羟基物质与增强的反应性之间的相关性。

2）与CO₂和O₂共同还原的情况相比，在电解质中添加低浓度的H₂O₂(已知的ORR的可能产物)对催化性能的增强作用要小得多。重要的是，没有发现具有表面羟基的拉曼特征，表明表面羟基是提高生产率的关键而不是任何氧化剂如H₂O₂。此外，密度泛函理论（DFT）计算显示，表面羟基的存在可有效降低含氧化合物和碳氢化合物形成的能垒。

3）结果表明，通过共电解利用耦合反应，有望提高CO₂RR的性能。

从实用的角度来看，CO₂RR和ORR耦合的策略可以降低从烟气或直接空气捕集的CO₂气流中存在的痕量O₂的分离成本。

He, M., Li, C., Zhang, H. et al. Oxygen induced promotion of electrochemical reduction of CO₂ via co-electrolysis. Nat Commun 11, 3844 (2020)

DOI：10.1038/s41467-020-17690-8

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17690-8