固态碘调控 Cu₂O-Cu (200) 异质界面电催化剂：高效 CO₂电还原制乙烯新突破

Applied Catalysis B 西北工业大学团队：固态碘调控 Cu₂O-Cu (200) 异质界面电催化剂：高效 CO₂电还原制乙烯新突破

近日，西北工业大学团队在Applied Catalysis B: Environment and Energy发表重要研究成果，提出CuI 表面限域还原 - 电化学重构策略，成功构筑稳定的Cu₂O-Cu (200) 异质界面电催化剂（CuI-R），实现 CO₂电还原（CO₂RR）高效高选择性制乙烯，为碳循环利用与绿色化工提供全新催化设计思路。

一、研究背景与核心痛点

CO₂电还原制多碳（C₂⁺）产物是实现碳中和与可再生能源存储的关键路径，乙烯作为核心化工原料，其高选择性、高电流密度合成极具工业价值。Cu 是唯一可催化 C-C 偶联的金属，但传统 Cu 基催化剂存在三大瓶颈：

强还原电位下 Cu⁺易快速还原为 Cu⁰，Cu⁺-Cu⁰活性界面难以稳定维持；

表面晶面易重构为 Cu (111)，不利于 * CO 中间体吸附与 C-C 偶联；

析氢副反应（HER）竞争激烈，C₂⁺选择性与催化稳定性难以兼顾。

二、核心创新：界面 - 晶面协同工程

研究团队首次利用碘离子（I⁻）稳定 Cu⁺、定向诱导 Cu (200) 晶面，通过两步法精准构筑催化界面：

化学限域还原：NaBH₄对 CuI 进行表面快速还原，原位生成 CuI-Cu (200) 多孔蓬松前驱体，碘物种锚定 Cu (200) 晶面；

电化学重构：碱性条件下 CuI 转化为 Cu₂O，最终形成稳定的 Cu₂O-Cu (200) 异质界面，抑制 Cu₂O 向 Cu (111) 重构。

该策略实现Cu⁺-Cu⁰异质界面与Cu (200) 活性晶面的双重稳定，从结构上破解传统 Cu 催化剂的重构与失活难题。

三、关键表征：结构与价态精准解析

形貌与晶面：SEM/TEM 显示催化剂呈三维多孔蓬松结构，HR-TEM 清晰观测到 Cu₂O (200) 与 Cu (200) 晶格条纹，异质界面原子级匹配；

价态与组分：XPS、Cu LMM 俄歇谱、XANES/EXAFS 联合证实，催化剂中 Cu⁰与 Cu⁺共存，表面碘物种以吸附态稳定存在，长期电解后结构无明显坍塌；

理论计算：DFT 表明 CuI 团簇在 Cu (200) 表面吸附能（-0.45 eV）远低于 Cu (111)（-0.26 eV），从热力学证实碘诱导 Cu (200) 晶面的选择性。

四、电催化性能：工业级水平突破

在流动电解池体系中，CuI-R 催化剂展现国际领先的 CO₂制乙烯性能：

选择性：-1.0 V vs RHE 电位下，乙烯法拉第效率（FE）达71%，总 C₂⁺法拉第效率 5%，C₂⁺/C₁选择性比值高达 12.4；

电流密度：-1.1 V vs RHE 时，乙烯分电流密度达 **-459.1 mA・cm⁻²**，总 C₂⁺分电流密度 - 569.5 mA・cm⁻²；

稳定性：MEA 体系中连续稳定运行超 45 小时，乙烯选择性与电池电压无明显衰减，结构与界面保持完好。

性能对比已超越多数已报道 Cu 基 CO₂RR 电催化剂，兼具低过电位、高选择性与高电流密度。

五、机理揭示：不对称 C-C 偶联强化

结合原位 ATR-FTIR与DFT 理论计算，阐明催化本质：

中间体调控：Cu₂O-Cu (200) 界面显著增强CO 吸附（吸附能 - 1.01 eV），促进CO-CHO 不对称偶联，原位观测到特征CO-*CHO 耦合中间体信号；

能垒优化：Cu₂O-Cu (200) 界面 C-C 偶联能垒（92 eV）低于 * CO 直接加氢能垒（0.98 eV），而 Cu₂O-Cu (111) 更倾向 C₁产物路径；

界面作用：碘与 Cu-O 强杂化稳定 Cu⁺，锁定 Cu (200) 晶面，抑制析氢，最大化 CO₂还原活性。

六、研究意义与展望

方法创新：提出界面 - 晶面协同工程通用策略，为 Cu 基 CO₂RR 催化剂的精准设计提供可扩展方案；

性能突破：实现工业级电流密度下高选择性制乙烯，为 CO₂电还原工业化提供关键材料支撑；

机理明晰：揭示 Cu₂O-Cu (200) 异质界面强化不对称 C-C 偶联的微观机制，为多碳产物选择性调控提供理论依据。

该研究为绿色低碳乙烯合成开辟新路径，推动电催化 CO₂还原从实验室走向实际应用。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.fuel.2026.138398