铜（Cu）催化二氧化碳（CO₂）还原反应（CO₂RR）是当前能源与环境科学中的一个研究热点。该反应不仅能够将CO₂转化为高附加值的碳氢化合物（如C₂+产物），还能有效减少温室气体排放。
然而，由于CO₂还原涉及多电子转移、质子耦合和复杂的路径，因此催化剂的设计与优化至关重要。以下将结合多篇文献中的研究结果，详细分析Cu催化CO₂还原的机制、性能及其影响因素，并通过图片展示其关键过程。
Cu基催化剂在CO₂还原反应中表现出优异的催化活性，尤其是在生成多碳产物（如C₂H₄、C₂H₅OH等）方面。研究表明，Cu的表面结构、晶面取向、缺陷密度以及与其他金属的合金化对其催化性能有显著影响。
例如，不同Cu基纳米材料（如Cu NP、Cu NN、Cu-PTFE NNs）在CO₂还原反应中的法拉第效率（FE）和周转频率（TOF）。
图（a）显示，Cu-PTFE NNs在CO₂还原反应中表现出更高的CO、CH₄、HCOOH等产物的FE，表明其在提高CO₂还原效率方面具有潜力。
图（b）则通过原位ATR-SEIRAS光谱分析了不同位点（如边缘位点和晶界位点）上CO的吸附行为，揭示了不同位点对CO₂还原选择性的影响。
通过快速冷却策略制备具有高密度晶界的CuO电催化剂的示意图。这种策略有助于提高催化剂的活性和选择性，特别是在生成C₂+产物方面。
等离子体处理Cu电极的活性，通过不同处理条件下的电化学活性分析，展示了Cu电极在CO₂还原反应中的性能变化。
在CO₂还原反应中，Cu的氧化态（Cu²⁺/Cu⁰）对催化性能有重要影响。研究表明，Cu的还原速率较快，而Zn的还原速率较慢，这可能导致Cu和Zn之间的相互作用，影响CO₂还原的选择性。此外，Cu在还原过程中会经历从Cu²⁺到Cu⁰的转变，这一过程对CO₂的吸附和活化至关重要。
Cu₂O在CO₂还原过程中的变化。初始状态是Cu₂O，其中氧原子标记为¹⁸O。在CO₂还原过程中，Cu₂O被还原为氧化铜衍生的铜（Oxide-derived Cu），此时氧原子标记为¹⁶O。
还原后的铜表面能够催化CO₂转化为乙烷（C₂H₄）、乙醇（C₂H₅OH）等产物。随后，氧化铜衍生的铜在快速再氧化过程中恢复为Cu₂O，氧原子再次标记为¹⁸O。整个过程展示了铜氧化物在还原和再氧化过程中的动态变化及其催化性能。
Cu与其他金属（如Zn、Sn、In等）的合金化可以显著提高CO₂还原的催化活性和选择性。例如，CuZn纳米颗粒在CO₂还原反应中表现出较高的CO和CH₄选择性，而随着Zn含量的增加，CH₄的选择性增强，而CO的选择性增加。
此外，CuIn₃O₅等复合催化剂在CO₂还原反应中表现出更高的催化活性，特别是在生成C₂+产物方面。
不同金属催化剂（如Cu、InCuₓ）上CO₂还原反应的理论计算结果。图B至图F分别展示了Cu和InCuₓ（x=1、2、10）三种催化剂上CO₂还原为羧酸（COOH）和甲醛（OCHO）的势能曲线。
这些结果表明，随着反应物（CO₂+H⁺+e⁻）与催化剂表面的扩散距离增加，反应物的能量变化情况不同，从而影响催化性能。
Cu基催化剂的表面结构和缺陷密度对CO₂还原反应的性能有重要影响。研究表明，无晶格缺陷的Cu表面在CO₂还原过程中容易导致碳物种的积累，从而降低催化活性。而含晶格缺陷的Cu表面则通过避免碳物种的积累实现稳定的催化效果。
上图展示了不同处理的Cu纳米线（CuNNs）在CO₂还原反应中的法拉第效率（FEs）随时间的变化。
图（C）、（D)和（E）分别展示了热处理的CuNNs、CuNNs和OT-CuNNs在不同处理条件下的电流密度随时间的变化曲线。图（G）通过拉曼光谱分析了不同电极在电解反应前后的变化，进一步验证了上述结论。
在电化学条件下，Cu基催化剂的催化性能受到电位、电流密度和法拉第效率的影响。例如，不同电位下铜基催化剂（Cu(II)、Cu(II)Sn(IV)5、Cu(II)Sn(IV)10）在CO₂还原反应中的性能。
图（a）显示了不同电位下各催化剂的法拉第效率（FE），其中Cu(II)Sn(IV)10在-0.6 V vs. RHE时效率最高，达到45%。图（b）展示了氢气（H₂）与一氧化碳（CO）的比率随电位的变化，Cu(II)Sn(IV)5在-0.6 V vs. RHE时H₂/CO比率最高，达到4。
在光催化条件下，Cu基催化剂的性能受到光强、光谱和电子转移过程的影响。例如，Cu₂O/RGO复合材料中的电荷转移过程，其中Cu₂O作为半导体材料，RGO作为导电基底，共同参与光催化反应。
图（a）显示了在100 W功率下处理2分钟后的O₂处理样品的XANES光谱，其中不同颜色的曲线分别对应不同处理时间的样品，包括1小时和15分钟的电解还原处理，以及原始状态的样品。
图（b）和图（c）则分别展示了准备样品和参考样品的EXAFS光谱及其拟合结果，图（b）中的曲线对应于不同样品的傅立叶变换幅度与距离的关系，而图（c）则展示了拟合后的EXAFS光谱。
这些数据有助于理解催化剂在CO₂电解还原过程中的结构变化及其对反应性能的影响。
Cu基催化剂的稳定性是影响其长期性能的重要因素。研究表明，CuO衍生的Cu催化剂在较低的过电位下表现出优异的催化活性，这可能是由于其独特的表面形态和缺陷位点。
此外，Cu₂O/Cu-NF@Cu在大气压下进行了电化学CO₂还原测试，结果显示其具有显著的CO₂RR性能。在-0.95 V（相对于RHE）下，C₂H₄和H₂是主要的还原产物，FE为70%和59.6%。
长期电解测试表明，Cu₂O/Cu-NF@Cu具有优异的稳定性，其Cu/Cu⁺接口结构和Cu⁺含量在45小时后仍然保持不变。
Cu催化CO₂还原反应在能源与环境领域具有广阔的应用前景。通过调控Cu基催化剂的结构、表面缺陷、合金化策略以及纳米结构设计，可以显著提高其催化活性和选择性。
未来的研究应进一步探索Cu基催化剂的稳定性和长期性能，以实现其在实际应用中的高效转化。
声明：如需转载请注明出处（华算科技旗下资讯学习网站-学术资讯），并附有原文链接，谢谢！
