▲第一作者：李嘉辰，邝允 ；
通讯作者：戴宏杰
通讯单位：斯坦福大学
论文DOI：10.1021/jacs.0c00122
本文报道了一种电化学合成的Cu
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O/Cu催化剂，以及其在高压（1-60 atm
）
CO
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环境中对CO
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电化学还原反应（CO
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RR）的催化表现。在交替的氧化还原方波电位下，Cu
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O晶体实现了在Cu表面的定向生长；在高于45 atm CO
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的环境中，水分解析氢（HER）的副反应得到了极大抑制。在该系统中，CO
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转化为单一产物甲酸的法拉第效率（FE）高达98%，并且在20小时的全电解测试中，实现了最高55.8%的总能量效率和0.412 g/cm
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的甲酸产量。该反应系统为CO
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到燃料的高能效转化提供了新的思路。
由可再生能源驱动的
CO
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转化为燃料的电化学反应有望
同时实现能源短缺问题和环境问题的缓解。然而，发生于催化剂电极和电解液的气-液相界面的CO
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RR受制于有限的CO
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供给，常常伴随着严重的HER副反应，难以实现高效的转化。高压CO
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的反应环境是解决CO
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供给问题的有效方式。在高压环境下，CO
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溶解度得以提升，电解液中的活性CO
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浓度随气压线性增加，从而实现对CO
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转化的促进和对副反应的抑制。另一方面，铜基催化剂具有较高的CO
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RR活性，但产物繁多，难以分离。本文利用交替的电化学氧化还原开发了一种Cu
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O定向生长于Cu表面的Cu
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O/Cu催化剂，实现了对CO
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转化为甲酸的极高选择性。
1）利用高压CO
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环境，实现了对CO
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RR的促进和对HER副反应的抑制。
2）首次实现了基于铜基催化剂的CO
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高效转化为单一液相产物，证实了Cu
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O (111)对CO
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高选择性转化为甲酸的重要性，并展现了优于In、Sn
、
Pb
等传统产甲酸催化剂的催化效果。
3）开发了适用于高压CO
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环境的析氧反应（OER）体系。在高压环境下，镍铁氢氧化碳酸盐电极在氢氧化钾/硼酸电解液中高效稳定工作，实现了总能量效率高达55.8%的CO
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RR-OER
全电解池。
4）高压CO
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RR为电化学反应机理的基础研究和CO
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转化为燃料的工业化实现提供了新的思路。
a，用于处理铜片的交替氧化还原方波点位，以及处理前后的铜片。
b，铜片在用于催化剂合成的电解液中的循环伏安曲线，展示了交替氧化还原过程中发生的反应。
c-h，SEM、EDX
、
XRD
、
STEM表征，展示了铜片表层Cu
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O
的形貌、厚度、晶体结构。
a，用于高压CO
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RR
以及相应产物收集检测的反应装置。
b，不同气力下，计算得到的电解液中活性CO
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浓度以及溶液pH值。
c，不同气压下，-0.84 V vs. RHE下CO
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RR的电流密度。随着气压升高，电流密度随之减小（1-45 atm），然后趋于平稳（45-60 atm
）。
d，使用0.5h-SW-Cu
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O/Cu作为催化剂，在1 atm CO
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环境中不同电压下的产物分布。
▲图3.使用0.5h-SW-Cu
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O/Cu作为催化剂的高压CO
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RR
。
a-b，45 atm和60 atm
下的产物分布。
d，不同气压下-0.64 V vs. RHE CO
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RR甲酸和氢气的法拉第效率，显示了高压环境对CO
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RR的促进和对HER的抑制（1-45 atm
）。
a-b，利用循环伏安曲线中镍的氧化还原峰偏移，计算得到高压CO
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环境下阳极电解液的pH值。
d，5h-SW-Cu
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O/Cu的稳定性测试，-1.04 V vs. RHE 下的20小时CO
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RR
。
e，CO
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RR-OER全电解池在30 mA/cm
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工作电流下的总电压和甲酸效率。
本工作利用高压CO
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反应环境和特殊设计的Cu
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O/Cu催化剂，实现了从CO
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到甲酸的高效稳定转化，为高效CO
2
RR
系统的设计开发和进一步的工业化实现提供了新的思路。
戴宏杰，斯坦福大学化学系
J. G. Jackson - C. J. Wood
讲席教授，美国国家科学院院士，美国人文与科学院院士，美国国家医学院院士，中国科学院外籍院士。戴宏杰教授在物理、化学、材料和生物医学类的国际著名期刊发表论文
300余篇，
总引用次数超过
20
万次。戴教授在多个国际学术刊物上担任编辑和编委工作，是
Nano Research
的发起人和主编。
