催化学报 ›› 2026, Vol. 90: 158-168.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65193-5

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铜表面的氢氧化镨纳米棒通过相互作用和几何变形产生不对称的活性中心用于CO2电还原反应

张恒a,1, 张泽宇a,1, 侯坤明a, 贾霖a, 郭颖昕a,*(), 李昊润a, 邹梦波a, 孙宪虎b,*(), 曾尚红a,*()   

  1. a 内蒙古大学化学化工学院, 内蒙古呼和浩特 010021
    b 中国科学院大学化学科学学院, 北京 101408
  • 收稿日期:2026-02-10 接受日期:2026-04-11 出版日期:2026-11-18 发布日期:2026-09-09
  • 通讯作者: *电子信箱: yingxin.guo@imu.edu.cn (郭颖昕),
    sunxianhu@ucas.ac.cn (孙宪虎),
    zengshanghong@imu.edu.cn (曾尚红).
  • 作者简介:

    1共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22468034);鄂尔多斯重点研发项目(YF20240062)

Pr(OH)3 nanorods on Cu generates asymmetric active sites through interplay and geometric deformation for CO2 electroreduction

Heng Zhanga,1, Zeyu Zhanga,1, Kunming Houa, Lin Jiaa, Yingxin Guoa,*(), Haorun Lia, Mengbo Zoua, Xianhu Sunb,*(), Shanghong Zenga,*()   

  1. a College of Chemistry and Chemical Engineering, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, Inner Mongolia, China
    b School of Chemical Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China
  • Received:2026-02-10 Accepted:2026-04-11 Online:2026-11-18 Published:2026-09-09
  • Contact: *E-mail:yingxin.guo@imu.edu.cn(Y. Guo),sunxianhu@ucas.ac.cn(X. Sun),zengshanghong@imu.edu.cn(S. Zeng).
  • About author:

    1Contributed equally to this work.

  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22468034);Key Research and Development Project of Ordos(YF20240062)

摘要:

利用可再生电力驱动的二氧化碳电化学还原(CO2RR)是一种极具前景的途径, 不仅有助于降低大气中CO2浓度, 还能生产高附加值化学品或燃料. 在各种产物中, 乙烯和乙醇因其经济潜力与实际应用价值而备受关注. 然而, 目标C2+产物的选择性仍不理想, 稳定Cu+物种对于提升Cu0/Cu+界面处的C2+产物选择性具有关键作用. 通过组分间的协同作用来稳定所需的Cu0/Cu+界面, 是提升CO2催化转化性能的可行策略. 稀土元素因其独特的电子结构, 常作为掺杂剂用于提升多相催化反应的性能, 但其作用机制以及反应过程中与Cu物种之间的相互作用与结构重构尚不明确.

本文采用水热法合成了一系列Pr(OH)3/CuO预催化剂, 在CO2RR中原位转变为Pr(OH)3/Cu催化剂, 借助组分间协同作用与几何形变诱导生成不对称活性位点. 结构表征结果显示, Pr(OH)3纳米棒均匀分布在Cu纳米片表面, 形成稳定的Pr(OH)3/Cu+/Cu异质界面, 可有效抑制Cu+过度还原, 显著提升表面Cu+物种占比; X-射线光电子能谱与X-射线吸收光谱结果证实, 催化剂中存在Pr3+/Pr4+与Cu+/Cu不对称活性位点, 加快界面电荷传输. 电催化性能测试表明, Pr(OH)3有效地增强了催化剂CO2RR到C2H4的催化活性. 在250 mA cm-2时, 12.7% Pr(OH)3/Cu催化剂可以实现50.2%的FEC2H4, 同时, 其C2产物也可以达到69.6%, 且可连续稳定运行25 h性能无明显衰减. 而纯Cu催化剂C2H4的选择性为36.1%. 原位拉曼光谱证实, Pr(OH)3有助于CO2在催化剂表面的吸附, 同时提升*CO中间体在催化剂表面覆盖率进而促进C-C耦合. 原位红外光谱结果表明, Pr(OH)3促进了H2O分子的解离, 有助于*CO质子化生成*COH和随后的*CO和*COH耦合. 更强的*OCCOH关键中间体信号强度表明, 反应遵循CO→*COH→*OCCOH的不对称C-C耦合路径. 由此可见, 稀土氢氧化物的引入可以激活铜上的不对称活性位点, 为有效的CO2到C2的转化提供了可持续的途径.

综上, 本文揭示Pr(OH)3的引入诱导了不对称Pr3+/Pr4+和Cu+/Cu不对称活性位点的生成, 有效地增强了Cu催化剂CO2RR到C2H4的催化活性. 通过系统的结构表征与原位光谱分析, 我们从分子层面深入探讨了可能的反应机制.

关键词: 氢氧化镨, 铜纳米片, 不对称活性位点, 催化机理, 二氧化碳电还原

Abstract:

Leveraging the asymmetric active motifs with high precision holds potential and presents substantial challenge due to design constraints and complex interphase. Herein, Pr(OH)3 nanorods are introduced onto Cu nanosheets to spontaneously regulate the interplay aiming to prevent Cu over-reduction during the CO2 electroreduction. Specifically, the 12.7% Pr(OH)3/Cu catalyst achieves a 50.2% Faradaic efficiency of C2H4 at industrially relevant current density of 250 mA cm-2. Complementary structural characterizations combined with in-situ/operando spectroscopy studies prove that Pr(OH)3 incorporation facilitates the generation of asymmetric Pr3+/Pr4+ and Cu+/Cu motifs, synergizing the formation of C2 products-related intermediates through increasing the number of active sites on the Pr(OH)3/Cu+/Cu heterogeneous interphase. This work demonstrates that the introduction of rare earth hydroxide can activate the asymmetric active sites on Cu, providing a sustainable pathway for efficient CO2-to-C2 conversion.

Key words: Pr(OH)3, Cu nanosheets, Asymmetric active sites, Catalytic mechanism, CO2 electroreduction