催化学报 ›› 2026, Vol. 82: 153-160.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64918-7

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铜表面原位卡宾聚合调控界面微环境促进选择性CO2电还原

曹雨羊a, 张婷婷b, 杨华倩a, 张文峰a, 李非非a,*(), 熊礼威a, 王功伟b,*()   

  1. a武汉工程大学材料科学与工程学院, 等离子体化学与新材料湖北省重点实验室, 湖北武汉 430205
    b武汉大学化学与分子科学学院, 化学电源材料与技术湖北省重点实验室, 湖北武汉 430072
  • 收稿日期:2025-07-28 接受日期:2025-10-15 出版日期:2026-03-18 发布日期:2026-03-05
  • 通讯作者: * 电子信箱: feifeili1907@wit.edu.cn (李非非),gwwang@whu.edu.cn (王功伟).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(52203279);国家自然科学基金(22172115);湖北省自然科学基金(2022CFB637)

In-situ carbene polymerization on copper electrodes to modulate interface microenvironment for selective electrochemical CO2 reduction

Yuyang Caoa, Tingting Zhangb, Huaqian Yanga, Wenfeng Zhanga, Feifei Lia,*(), Liwei Xionga, Gongwei Wangb,*()   

  1. aSchool of Materials Science and Engineering, Hubei Key Laboratory of Plasma Chemistry and Advanced Materials, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430205, Hubei, China
    bCollege of Chemistry and Molecular Sciences, Hubei Key Lab of Electrochemical Power Sources, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China
  • Received:2025-07-28 Accepted:2025-10-15 Online:2026-03-18 Published:2026-03-05
  • Contact: * E-mail: feifeili1907@wit.edu.cn (F. Li),gwwang@whu.edu.cn (G. Wang).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(52203279);National Natural Science Foundation of China(22172115);Natural Science Foundation of Hubei Province(2022CFB637)

摘要:

电化学CO2还原反应作为实现碳中和的重要途径, 具有广阔的应用前景. Cu基催化剂具备将CO2深度还原成C2+产物的能力, 但目前仍面临特定产物选择性差、稳定性不足等挑战. 为应对这些挑战, 研究者们采取了多种策略来提升Cu基电催化剂的CO2还原性能. 一方面, 对其组分、形貌、缺陷、氧化态等进行调控; 另一方面, 除了调控Cu基催化剂自身结构, 在其表面构筑功能化微环境, 调控界面亲疏水性、局部pH及反应中间体含量等, 也能显著影响CO2还原的反应机制与产物分布. 与小分子表面修饰相比, 功能性聚合物薄膜能提供更稳定的界面微环境, 在电催化条件下不易发生溶解或脱落流失. 然而, 目前普遍采用滴涂、喷涂等方法进行聚合物的表面修饰,存在聚合物在电极表面分布不均、膜层厚度可控性差等问题. 因此, 开发一种普适、有效的表面聚合物修饰策略来调控电极的界面微环境, 对于提升高价值产物的选择性以及深入理解电催化机理具有重要意义.

本研究基于金属Cu可直接催化重氮化合物裂解发生卡宾聚合反应这一原理, 采用Cu电极诱导重氮化合物分解释放N2、并生成能够引发卡宾聚合的高反应性金属-卡宾自由基, 进而促进卡宾聚合. 通过该策略, 在Cu电极表面原位生长了一系列具有不同电子效应、不同亲疏水性的聚合物膜. 利用扫描电子显微镜、核磁共振波谱、电喷雾质谱、拉曼光谱、X射线光电子能谱等表征技术, 证实重氮化合物成功在Cu电极表面引发原位卡宾聚合, 构筑了均匀、稳固的聚合物修饰层. 系统探究了该修饰层对电化学CO2还原反应的影响规律. 研究结果表明, 采用具有给电子效应的苯基重氮化合物卡宾聚合修饰的Cu电极, 能够显著促进电化学CO2还原成乙烯(C2H4). 在H型池测试中, C2H4的法拉第效率达43%; 在流动池测试中, C2H4的选择性提升至50%, C2+产物的总法拉第效率超过70%. 这与空白Cu箔电极表面CO2还原主要产物为甲烷(CH4)形成鲜明对比. 为了阐明表面聚合物修饰对CO2还原性能的影响机制, 结合电化学原位拉曼光谱分析, 研究聚合物修饰前后界面物种差异. 发现空白Cu电极表面以低*CO覆盖率和高含水量为特征, 有利于*CO加氢产生CH4; 经甲氧基苯基重氮化合物卡宾聚合物修饰后, 在测试电势范围内观察到明显的*COOH信号和高强度的*CO信号, 同时界面水对应的ν(O-H)明显变弱, 表明含苯基的卡宾聚合物修饰显著降低了界面水含量, 抑制析氢副反应, 同时促进了关键中间物种*CO的产生, 从而促进C-C偶联生成C2H4.

综上, 本文发展的金属表面原位卡宾聚合策略, 为构筑稳定、功能化的金属电极-聚合物界面微环境提供了新方法. 同时, 该研究通过精准调控界面微环境, 显著提升了CO2电还原制C2H4选择性, 为设计高效的电催化CO2还原界面提供了新思路.

关键词: CO2还原, 界面微环境, 表面修饰, 卡宾聚合, 乙烯

Abstract:

The development of functional interfacial microenvironments via polymer coating modification offers a promising strategy for enhancing electrocatalytic reactions. However, conventional polymer modification typically relies on physical approaches such as drop-coating or spraying, which often suffer from issues such as uneven distribution and limited controllability. In this study, we introduce a novel approach that leverages the direct metal-catalyzed cleavage of diazo compounds to initiate carbene polymerization, enabling the in-situ growth of functional polymers on the Cu surface. By employing this method with three different diazo monomers, we fabricated distinct carbene polymer (CP) modification layers on a Cu electrode surface and investigated their influence on the electrocatalytic CO2 reduction reaction. Our findings demonstrate that Cu electrodes modified with CP derived from phenyl diazo compounds exhibit a substantial improvement in C2+ production (primarily ethylene). In-situ Raman spectroscopy analysis revealed that CP modification effectively reduced the interfacial H2O content and increased the *CO intermediate coverage, thereby facilitating C-C coupling and enhancing ethylene production. This study highlights the potential of surface polymerization for constructing functional interfacial microenvironments to control electrocatalytic reactions.

Key words: CO2 reduction, Interfacial microenvironment, Surface modification, Carbene polymerization, Ethylene