高研院/南理Nature子刊：Cu超微粒强化传质能力和C-C偶联，促进CO2电还原

晶界位点已被认为是C₂₊产物形成的有效位点。然而，在常规纳米颗粒(NPs)基催化剂层中，较小的颗粒尺寸促进了晶界位点的形成，并改善了活性位点暴露，而较大的颗粒间隙由于较大的颗粒尺寸而促进了质量传递。

因此，在优化质量传递和最大化催化活性之间存在着权衡 。为了解决这个问题，多孔Cu基材料的设计已被确定为一种有效的策略，将界面质量传输和活性位点调制相结合，以实现高电流密度下CO₂到C₂₊的转化。

然而，制备定义明确的多孔Cu基材料通常涉及复杂且耗时的过程。此外，所得催化剂通常表现出较大的颗粒或晶体尺寸，范围从几十到几百纳米不等，这会影响C₂₊产物的活性并限制活性位点暴露。因此，解决Cu基材料中质量传递和催化活性之间的权衡仍然是一个重大挑战。

近日，中国科学院上海高等研究院杨辉和南京理工大学李强等通过铜氢化物(CuH)超颗粒的自发演化制备了由亚10 nm尺寸的Cu₂O组分颗粒组成的Cu₂O超颗粒，这些超颗粒具有丰富的固有介孔(3-10 nm)和较大的颗粒间隙(>100 nm)。

在ECO₂RR过程中，Cu₂O超颗粒在原位还原为金属Cu，同时保持相似的超颗粒结构，并在超颗粒界面之间形成丰富的晶界。维持的相互连通的多孔超结构显著增强了活性位点暴露和质量转移，而丰富的晶界位点的形成极大地促进了*OC-CHO耦合途径，有效地打破了高效质量转移和优越活性之间的权衡。

此外，超颗粒的固有疏水性缓解了流动电池催化层的水淹，提高了稳定性，特别是在高电流密度下。受益于这种传质和催化反应的有效耦合，定义明确的金属Cu超颗粒表现出显著的安培级CO₂电解能力，实现了2.40 A cm^-2的高C₂₊部分电流密度，相应的法拉第效率(FE)为74.9%(Cu纳米颗粒对应物为1.21 A cm^-2和55.4%)，并在1 A cm^-2下表现出优异的稳定性(超过100小时)。

总的来说，该项研究为深入理解高电流下质量传递和催化反应耦合的影响提供了深刻的见解，并通过上部结构设计提出了相应的解决方案。

Cu supraparticles with enhanced mass transfer and abundant C-C coupling sites achieving ampere-level CO₂-to-C₂₊ electrosynthesis. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-58755-w