新加坡南洋理工赵彦利JACS: 表面清洁Cu2O用于CO电还原！

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研究内容

调整纳米晶体的形态是提高其催化性能的有前途的方法。在大多数的形状控制合成策略中，表面活性剂是不可避免的，因为它们能够稳定不同的晶面。然而，吸附的表面活性剂阻断了纳米晶体的固有活性位点，降低了它们的催化性能。目前，在没有表面活性剂的情况下控制形态的策略仍然面临着一定的挑战。

新加坡南洋理工大学赵彦利教授课题组开发了一种简便的无表面活性剂合成方法来调节Cu2O纳米晶体的形态（例如，固体纳米立方体、凹形纳米立方体、立方框架、支化纳米立方体、支化凹形纳米立方体和支化立方框架），提高CO转化为正丙醇的电催化性。相关工作以“Directing the Architecture of Surface-Clean Cu2O for CO Electroreduction”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1.作者报告了一种无表面活性剂方法，制备Cu2O固体纳米立方体(SC-Cu2O)、支化纳米立方体(BCCu2O)、凹面纳米立方体(CC-Cu2O)、支化凹面纳米立方体(BCC-Cu2O)、立方骨架(CF-Cu2O)和支化立方骨架(BCF-Cu2O)。形貌的不同主要来源于：浓度耗尽是凹入和分支结构的主要原因，而框架结构主要归因于氧化蚀刻过程。

要点2.与表面活性剂涂层的Cu2O纳米立方体衍生催化剂(SFC)相比，催化剂的表面清洁的Cu2O纳米结构对CO电还原(COR)的催化活性显着提高，尤其是对于较低电压下的C3产品。BCF-Cu2O衍生催化剂(BCF)在-0.45 V vs 可逆氢电极(RHE)时，呈现出最高的正丙醇电流密度(-0.85 mA cm-2)，比表面活性剂涂层Cu2O纳米立方体衍生催化剂高五倍（SFC，-0.17 mA cm-2）。与SFC相比，BCF的正丙醇法拉第效率在-0.45 V vs RHE下提高了41%。这一发现为改变具有清洁表面的纳米晶体的形态打开了新的大门，从而大大提高了它们的电催化活性。

要点3.密度泛函理论计算表明，清洁表面和晶格中Cu(100)和Cu(110)共存所产生的BCF的高催化活性。因此，这项工作为轻松制造具有增强应用性能的表面清洁纳米晶体提供了一个重要的范例。

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研究图文

图1. 在以下不同条件下生长的Cu2O纳米晶体的SEM、插入的TEM和相应模型：(A) cs(Cu2+)=625 μM，(B) cs(Cu2+)=312.5 μM和(C)N2H4注入速度为250 μL min-1。(D) 立方模型不同部分（顶点、边缘和中心）周围的浓度耗尽域。(E) 具有弱浓度消耗效应的三次模型。(F) 对带有分支的凹立方体的强浓度消耗效应。(G) 具有中等浓度消耗效应的凹面立方体。比容(SV)表示体积与表面积的比值。

图2. CC-Cu2O和BCF-Cu2O在不同阶段的SEM和插入TEM。CC-Cu2O：(A) 80、(B) 600和(C) 900秒。(D) CC-Cu2O的假设形成机制。BCF-Cu2O：(E) 80、(F) 600和(G) 900 秒。(H) BCFCu2O的假设形成机制。

图3. 制备的Cu2O纳米晶体的结构表征。(A-D) SC-Cu2O、(E-H) BC-Cu2O、(I-L) CC-Cu2O和(M-P) BCF-的模型、TEM图像、SAED图案和HRTEM图像Cu2O。(Q1-Q5) SCCu2O和(R1-R5) SFC-Cu2O的HAADF-STEM元素。(S) SC-Cu2O、(T) BC-Cu2O、(U) CC-Cu2O和(V) BCF-Cu2O的GIWAXS图案。

图4. 源自无表面活性剂Cu2O纳米晶体、SFC-Cu2O和溅射Cu的Cu催化剂的COR性能。(A) SC-Cu2O衍生催化剂的COR的C2+产物的FE在-0.40、-0.45、-0.50和-0.55 vs RHE。(B) FEs和(C)COR的C2+产物的几何j，用于衍生自无表面活性剂Cu2O纳米晶体的催化剂，在-0.45 vs RHE。(D) COR后由不同Cu2O纳米晶体衍生的Cu催化剂的双层电容(Cd)。清洁表面(CS)和表面活性剂涂层表面(SS)上CO(E)二聚和(F)三聚的过渡态。误差线代表三个单独准备的GDE的标准偏差。所有电流密度均归一化为几何表面积。

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文献详情

Directing the Architecture of Surface-Clean Cu2O for CO Electroreduction

Jiawei Liu, Futian You, Bowen He, Yinglong Wu, Dongdong Wang, Weiqiang Zhou, Cheng Qian, Guangbao Yang, Guofeng Liu, Hou Wang, Yi Guo, Long Gu, Lili Feng, Shuzhou Li, Yanli Zhao*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c04260

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作者简介

赵彦利，新加坡南洋理工大学数理学院以及材料科学和工程学院教授，数理学院助理院长。于南开大学获得本科和理学博士学位，博士导师为刘育教授。随后在美国加州大学洛杉矶分校以及西北大学从事博士后研究，师从2016年诺贝尔化学奖得主Sir Fraser Stoddart教授。主要从事合成化学和材料科学前沿交叉领域的研究，研究兴趣集中于新型自聚集材料的设计、制备以及应用开发。共发表SC论文400多篇，h指数72.先后获得新加坡国家研究基金会Fellowship（2010）、《麻省理工学院技术评论》评选的杰出青年创新人物（新加坡2012）、亚太光化学学会青年科学家奖（2016）、美国化学会ACS Applied Materials&Interfaces青年研究员奖（2017）、新加坡国家研究基金会Investigatorship（2018）、科睿唯安高被引科学家等荣誉和奖励。担任ACS Applied Nano Materials副主编。

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