大氣中較高的二氧化碳(CO₂ )水平推動了碳捕獲、利用和儲存(CCUS)技術(shù)的發(fā)展。電化學(xué)CO₂還原是將CO₂轉(zhuǎn)化為碳氫化合物以實現(xiàn)碳循環(huán)的有效方式。

銅(Cu)可以有效催化CO₂電還原為多碳產(chǎn)品，為了提高其反應(yīng)選擇性以生產(chǎn)C₂和C₂₊，蒙彼利埃大學(xué)Damien Voiry團隊通過使用芳香雜環(huán)(如噻二唑和三唑衍生物)調(diào)節(jié)Cu^δ+的氧化態(tài)來控制雙金屬Ag-Cu電極的表面氧化態(tài)，以加速CO₂向烴分子的轉(zhuǎn)化。

通過俄歇和X射線吸收光譜(XAS)，研究人員發(fā)現(xiàn)使用芳香雜環(huán)官能團修飾Ag-Cu后，可以通過從金屬表面提取電子從而形成Cu^δ+物種，進而對Cu表面形成摻雜。與原始的非官能化和烷基官能化電極相比，修飾電極顯示出對C₂₊產(chǎn)物生產(chǎn)的反應(yīng)速率和法拉第效率的明顯改善。

具體而言，在0.5 M KHCO₃溶液中，-1.2 V_RHE下噻二唑(N₂SN)和三唑(N₃N)功能化電極上C₂₊的法拉第效率分別為57.3%和51.0%，是原始催化劑的3.1倍和2.8倍。

另外，Operando Raman和X射線吸收光譜(XAS)表明，由于銅表面的p摻雜(Cu^δ+(0<δ<1)的存在)，有利于形成具有頂部構(gòu)象的吸附*CO，提高了*CO二聚化的可能性。

將功能化的電極組裝到基于膜電極的電解槽中，催化劑為C₂₊產(chǎn)物提供80±1%的法拉第效率(FE)，為全電池提供20.3%的總C₂₊能量效率(EE)。更重要的是，在-4.55 V電池電壓下，連續(xù)反應(yīng)100小時后乙烯的法拉第效率平均為51%，電流約為1.6 A，表明該催化劑具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

Improved Electrochemical Conversion of CO₂ to Multicarbon Products by Using Molecular Doping. Nature Communications, 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-27456-5