第一作者：方鸣伟

通讯作者：朱英  戴黎明

通讯单位：北京航空航天大学  新南威尔士大学

利用铜催化剂电催化还原二氧化碳制备高附加值多碳化合物（如C₂H₄）是实现碳资源循环利用的有效途径。通常采用碱性环境来提高CO₂RR效率，抑制析氢副反应（HER）并促进C-C偶联，然而在高电流水平下保持CO₂RR制C₂H₄的高选择性和稳定性仍然是一个巨大挑战：生成的OH^-会在电场的作用下外向迁移，降低催化剂表面的碱度。同时，电解质中的阳离子（K⁺）会向内向迁移并积聚在催化剂表面，形成碳酸盐/碳酸氢盐沉淀物，屏蔽活性位点和堵塞孔道。因此，为实现长效稳定的高电流条件下的C₂H₄电合成，在稳定局部离子分布并构建疏水微环境之间进行平衡是至关重要。基于此，北京航空航天大学朱英课题组联合新南威尔士大学戴黎明课题组创新性的提出一种通用“电荷释放”概念，通过在催化剂表面的阳离子共价有机骨架（cCOF）中加入少量反电荷的阴离子聚合物（如全氟磺酸，PFSA），可有效地释放cCOF内部隐藏的正电荷，阻止催化剂表面原位生成的OH^-的外向迁移和阳离子的内向迁移。同时，PFSA疏水主链在cCOF内形成疏水通道，促进气体的有效传输（图1）。原位表征和理论计算表明，cCOF/PFSA催化剂形成了疏水强碱微环境，优化了*CO中间体的吸附强度和构型，促进C₂H₄的形成。cCOF/PFSA实现了高达70.5%的C₂H₄法拉第效率（FE），分电流密度超过470 mA cm^-2， 96.5%的超高单程转化率（SPCE_CO2RR）。重要的是，催化剂在760小时内保持了优异的稳定性（图2）。在大面积MEA以及5单元MEA电堆中，实现了15 A的工业电流，C₂H₄连续生成速率超过19 mL min^-1，标志着CO₂RR-to-C₂H₄转化在工业可行性方面迈出了重要一步。

这一成果近期发表在JACS上，文章的第一作者为北京航空航天大学博士生方鸣伟。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c09168

图1

图2

作者介绍

朱英（通讯作者），北京航空航天大学教授，博士生导师，北京市教学名师。专注于仿生智能界面材料、石墨烯复合材料以及CO₂电催化还原纳米材料的开发与应用。近几年，在JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.等国际顶尖学术期刊上发表SCI论文130余篇，授权国家专利发明专利20余项。主持国家863计划、国家973计划、国家重点专项计划、国防科技创新特区项目、国家自然科学基金等项目17项。并先后荣获国家自然科学二等奖、北京市科学技术一等奖、江苏省科技进步二等奖等。

戴黎明（通讯作者），澳大利亚科学院院士、欧洲科学院院士、美国医学与生物工程院院士、欧盟科学院院士、美国碳学会顾问委员会委员、英国皇家化学会会士，澳大利亚新南威尔士大学教授。长期从事功能高分子以及碳纳米材料能源和生物医药等方面的研究工作，在碳纳米管的合成组装及其在生物医学中应用、含C60的新型高分子光电材料、高分子材料的表面及界面等研究领域取得了系列创新性研究成果，在 Science等国际一流学术期刊上发表论文500余篇，论文共被引用近13,0000多次，H指数大于171，是国际纳米技术研究领域的领军人物之一。

方鸣伟（第一作者），北京航空航天大学博士生，研究领域为二氧化碳电化学转化，先后以一作及通讯作者在JACS、ACS Nano等高水平期刊发表多篇论文，获批首批国家自然科学基金博士生项目。