綜述：氧化態的銅再還原,華麗轉身後如何在CO2還原中大顯身手

綜述背景

空氣中二氧化碳濃度的升高被認為是人為導致氣候變化的主要原因之一。近年來，隨著風力發電和太陽能發電的普及，獲取電能的成本和代價一直在降低，使得通過電催化還原二氧化碳從而生成有價值的化學產物成為可能。基於銅氧化物還原所得到的銅(OD-Cu)一般會表現出較高的二氧化碳還原活性，特別是對於多碳產物(Cn,n ≥2)體現出更高的選擇性，因而引起了研究人員的廣泛關注。

綜述簡介

該綜述首先介紹了OD-Cu材料的製備方法，以及製備方法對電催化還原二氧化碳性能的影響。接下來，文章討論了現階段對於反應機理的理解。系統討論了混合態銅(Cu and Cu+)，亞表面層氧(subsurfaceoxygen)，電催化反應過程中催化劑表面的pH(local pH),晶面，缺陷，形貌，以及電解液對二氧化碳還原反應的影響。最後總結了該領域研究目前面臨的困難，以及對未來研究方向的展望。

圖文導讀

圖1.在不同金屬表面推測的二氧化碳還原機理示意圖。

圖2. (a) 二氧化碳還原前後1.7 μm厚Cu2O薄膜的SEM圖。 (b) Cu2O厚度對生成C2H4和C2H5OH法拉第效率的影響。(c)不同測試條件下 1.7 μm厚Cu2O薄膜的原位拉曼光譜。

圖3. (a)在Cu納米線內電解液擴散示意圖。 (b)Cu(OH)2納米線的SEM圖。(c) 在-1.1 V vs RHE，0.1 M KHCO3溶液中，納米線長度對二氧化碳還原法拉第效率的影響。

圖4. (a)CO2分子在金屬模型上 (MM, 藍色), 在完全氧化模型上 (FOM, 紅色)和Cu 金屬態摻雜在氧化模型裡(MEOM, 綠色)的活化自由能. TS 是過渡態。(b)在MM, FOM 和 MEOM 表面CO 二聚所需要的自由能（-0.9 V vs. SHE）。

圖5.一個鹼性二氧化碳還原電解槽的示意圖。

結論與展望

雖然OD-Cu相對於金屬Cu體現出較高的二氧化碳活性，尤其是對於多碳產物表現出較高的選擇性，但是距離實際應用還有較長長的距離和較多的發展空間。在文章的最後，作者分享了自己對於OD-Cu未來發展的一些看法：

1. 需要採用先進的原位表徵技術來加強對二氧化碳還原反應活性位點的認識。

2. 需要將實驗和計算模擬相結合，進一步加深對反應機理的認識。

3. 反應裝置的設計也非常重要，好的反應裝置能顯著提高催化劑的性能。

4. 二氧化碳還原一般會產生很多種產物，產物的分離和提純也是未來的發展方向之一。

作者介紹

王善文(第一作者)，加州大學聖克魯茲分校化學與生物化學系在讀博士生。2017年在北京航空航天大學應用化學系獲得學士學位，2017年加入加州大學聖克魯茲分校Yat Li（李軼）教授課題組攻讀博士學位，主要研究領域為電催化分解水（HER，OER）和二氧化碳還原。先後曾在ACS Energy Lett., J. Mater. Chem. A, Nat.Commun., Nano Research等著名期刊發表文章。

寇天一 (通訊作者)，加州大學聖克魯茲分校化學與生物化學系博士後。2014年加入Yat Li教授課題組攻讀博士學位，2019年8月在加州大學聖克魯茲分校化學與生物化學系獲得博士學位。主要研究領域為電催化和能源轉換，具體包括水分解析氫、析氧，二氧化碳還原，微生物燃料電池等。以第一作者、通訊作者在Nat. Commun., Adv. EnergyMater., ACS Energy Lett.等著名期刊發表文章18篇，引用1970次，個人h因子24。

Yat Li（李軼）教授（通訊作者）,美國加州大學聖克魯茲分校化學與生物化學系教授。1999年和2002年分別於香港大學取得學士和博士學位。2003至2007年於哈佛大學博士後，師從國際著名納米學科奠基人Charles M. Lieber教授。2007年加入加州大學聖克魯茲分校擔任助理教授，2018年晉升教授。主要研究領域包括低維納米材料的設計製備與其在能源與催化領域的應用。發表SCI論文138篇，他引逾25000次， h因子71。

S. Wang, T. Kou, S.E. Baker, E.B. Duoss, Y. Li, Recent progress in electrochemical reduction of CO2 by oxide-derived copper catalysts, Materials Today Nano, 2020, 12, 100096,

DOI：10.1016/j.mtnano.2020.100096.