背景介绍

利用太阳能、风能等等可再生能源，通过电化学二氧化碳（CO₂）还原反应（CO₂RR）转化为增值化学品和燃料，是一种解决排放控制和能源供应挑战的有效解决方案。然而，由于极稳定的线性分子与弯曲的自由基阴离子之间的能量重组以及原子核的组装困难，涉及两个电子的转移和质子的活化的转化过程通常存在热力学和动力学势垒较高、选择性较差等问题。因此，合理设计具有高活性、高选择性和高耐久性的CO₂RR催化剂意义非凡。

成果简介

近日，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士和吉林师范大学冯明教授（共同通讯作者）等人报道了一种用于三元Zn-Ag-O（ZnO-Ag@UC）催化剂的“一瓶双船”的设计策略，其中ZnO和Ag共生形成一个独立的超细纳米颗粒（ZnO-Ag），而该纳米颗粒生长在具有超高比表面积碳基体的纳米孔（UC）中。

该策略具有以下优势：

（1）ZnO和Ag之间的定制异质界面激发了Zn和Ag向O供给电子，从而调节了与*COOH中碳原子、HCOO*中氧原子和*H中氢原子的结合强度，进而显著提高甲酸盐和氢气对CO的选择性；

（2）利用具有超高比表面积（4115 m² g^-1）碳作为载体，将超细ZnO-Ag纳米颗粒分散负载在纳米孔内，控制颗粒大小，保证了超高比表面积提供丰富的活性中心，从而显著提高催化活性；

（3）孔结构中的ZnO-Ag有效地抑制了纳米颗粒在合成和CO₂RR过程中的团聚和分离，极大延长了使用寿命；

（4）相互连接的多孔导电网络促进整个框架内的质量传输和电子迁移，加快了催化动力学。

所设计的Zn-Ag-O催化剂对CO的能量效率为60.9%，法拉第效率为94.1±4.0%，在6 d内具有显著的稳定性。此外，该研究还提出了一种有前途的催化剂设计策略，以实现高效的能量转换。

理论研究

作者研究了生产CO和甲酸（HCOOH）的两个主要途径。*COOH和HCOO*是CO或HCOOH反应路径中的关键中间体，其中C原子或O原子分别与ZnO-Ag表面成键。通过计算发现，电荷密度在Zn和Ag原子附近耗尽，而在O原子附近累积，说明Zn和Ag原子倾向于通过将电子释放到O原子来使电荷离域，从而表现出电子转移效应。这对CO₂RR的重要影响：（1）促进CO的产生；（2）抑制HCOOH的产生；（3）抑制析氢反应（HER）。

文献信息

“Two Ships in a Bottle” Design for Zn-Ag-O Catalyst Enabling Selective and Long-Lasting CO₂ Electroreduction. JACS, 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c12418.

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