近日，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心高敏銳教授團隊對于銅催化劑在CO₂電還原過程中的積碳毒化行為進行了系統研究并提出新理解。相關成果以“Investigation and Mitigation of Carbon Deposition over Copper Catalyst during Electrochemical CO₂Reduction”為題發表在以精準為導向的高質量期刊《精準化學》上，并入選當期封面。中國科學技術大學2021級碩士生端木靜雯、2021級博士生吳志征和2019級博士生高飛躍為文章的第一作者，高敏銳教授為通訊作者。

銅基催化劑作為最常見的高效電化學CO₂還原反應（CO₂RR）催化劑，其在高電流密度下的長期穩定性往往不盡人意，制約了CO₂電解技術的規模化發展。Cu催化劑失活的原因比較復雜，反應環境中的雜質物種和催化劑的重構導致的活性位點缺失是常見的失活原因。在傳統的熱催化領域，人們普遍觀察到碳沉積會導致嚴重的催化劑失活。相比之下，在CO₂RR領域關于電化學碳沉積的報道很少。當前，CO₂RR過程中碳沉積的反應途徑和機理存在爭議，其碳沉積機理的尚不明確。同時，積碳的結構和影響因素的研究較少，限制了Cu基催化劑穩定性提升策略的研究。

基于此，研究人員利用原位光譜技術和痕量分析技術，證實了在CO₂RR過程中多晶Cu箔上積碳的產生和覆蓋是直接導致催化劑失活的原因，明確了積碳與外加電位的內在關聯。電化學積碳以包覆在催化劑顆粒表面的薄膜狀形態存在，結構和組成接近于無定形碳。這種類型的碳的導電性和傳質能力較差，阻礙了CO₂RR過程中的反應氣體和中間體傳輸。基于系列控制實驗結果，研究人員闡明了積碳生成的機理：在CO₂RR過程中，關鍵中間體^*CO結合質子形成^*COH中間體，^*COH中間體進一步與質子結合，然后脫H₂O形成吸附^*C。吸附^*C作為一般中間體，既可以與^*CH加氫生成CH₄，也可以直接解吸形成沉積碳。

圖.該工作被《精準化學》雜志選為封面文章

相關研究受到國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、安徽省重點研究與開發計劃、國家杰出青年科學基金等項目的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/prechem.4c00002

（微尺度物質科學國家研究中心、科研部）