将二氧化碳电化学转化为用于可持续能源的增值产品是一种环境友好且经济的方法。相比起CO，C2+碳氢化合物或含氧化合物，如乙醇(C2H5OH)、乙烯(C2H4)和正丙醇(n-C3H7OH)具有显著的能量密度，在解决能源危机方面更有价值。然而，复杂的产品选择性限制了二氧化碳减排技术的发展和应用。最近高经济性的不对称C2+产物乙醇受到了越来越多的关注。之前的研究发现，通过电化学CO2RR选择性生产乙醇的催化剂的设计应该集中在最小化三种竞争反应路径，它们通过消耗电子和质子、析氢反应、生成C1+产物(如甲烷，甲酸) 和其他对称的C2+产物形成（例如乙烯）来降低非对称乙醇的法拉第效率(FE)。这就迫切要求一种有力的工具对工况条件下催化剂表面反应中间基团的情况进行观察，从而深入探究构效关系。
中国科学院上海高等研究院王宇研究员，北京理工大学陈文星副教授与国家同步辐射实验室团队合作，依托合肥光源红外谱学与显微成像线站发展的原位显微电化学红外光谱技术，在电催化还原二氧化碳制乙醇方面取得新进展。通过控制载体上的氮含量调节Cu物种与载体之间的电子转移和相互作用，Cu/N0.14C可以在-1.1 V vs. RHE 的电位下呈现出高达73%的C2+产物法拉第效率，其中包括51%的乙醇法拉第效率。此外，该催化剂在10 h内表现出优异的CO2电还原长期稳定性。
通过结合Operando FTIR 和DFT理论计算，发现Cu2-CuN3簇表现出电荷不对称特点，在反应过程中CH3*吸附增强了电荷不对称性。由于电荷的积累，极化电场可以调节CO2还原反应，降低反应的热力学能垒。Cu电子增强了CO2的边界氧位，保护氧端质子化，并占据碳的价电子，避免了C=C双键的形成，从而实现了不对称乙醇的高效率电化学合成。
图1. Operando FTIR谱图和CH3*吸附后电荷密度差分图。
相关研究成果以“Complementary Operando Spectroscopy identification of in-situ generated metastable charge-asymmetry Cu2-CuN3 clusters for CO2 reduction to ethanol”发表在国际著名学术期刊《Nature Communications》上。论文共同第一作者为苏晓智、姜卓利、周靖。
