近日，中国科大苏州高研院苏育德研究员与中国科学技术大学张文华教授合作，在国际期刊《ACS Catalysis》上发表了题为“Antireconstruction Cu Nanowire Catalysts Enabled by SiO₂ Encapsulation for Durable Electrochemical CO₂ Reduction”的研究论文。该工作提出了一种二氧化硅（SiO₂）包覆策略，能有效缓解铜基催化剂在电化学二氧化碳（CO₂）还原过程中的结构重构问题，从而提升其催化稳定性。研究发现，该抗重构能力的强化源于SiO₂包覆形成的坚固Cu−O−Si界面键合，该Cu−O−Si键不仅能作为结构锚点来稳定催化剂的整体骨架结构，而且能增强裸露铜活性位点的Cu−Cu键合强度。该项研究成果为设计高效稳定的铜基电化学CO₂还原催化剂提供了新的方法与经验。

电化学CO₂还原技术能将温室气体CO₂转化为高附加值燃料和化学品，是缓解全球变暖和应对能源危机的重要途径之一。在众多电催化剂中，铜基材料因对CO₂还原中间体具有独特的吸附能，能够促进C−C耦合并得到多碳产物（如乙烯、乙醇等）而备受关注。然而，铜基催化剂被证实在电化学CO₂还原过程中存在严重的结构重构现象，导致催化活性位点破坏和催化性能衰减等问题，极大阻碍了其实际应用。现有的催化剂抗重构策略，如合金化、表面物理涂层等，仍旧存在制备复杂、稳定性有限或适用范围窄等问题。

基于此，该研究提出了一种简单可控的SiO₂包覆策略以提升铜基催化剂在电化学CO₂还原过程中的抗重构能力和催化稳定性。该研究以具有明确晶面和良好碳产物选择性的铜纳米线为模型平台，通过溶胶-凝胶方法在其表面均匀包覆一层厚度可调的微孔SiO₂壳层。结构表征表明，SiO₂壳层与铜纳米线的界面处形成了Cu−O−Si键。电化学性能测试表明，SiO₂包覆策略能显著提升铜纳米线的催化稳定性。在-1.15 V（相对于可逆氢电极）恒定电位下的24小时连续电化学CO₂还原测试后，SiO₂包覆铜纳米线的主要碳产物（C₂H₄, CH₄, CO）法拉第效率保留了初始值的95%以上；然而，没有SiO₂包覆的初始铜纳米线的催化性能表现出严重衰减，主要碳产物的法拉第效率在经过相同条件的连续电解测试后，仅保留了初始值的约59%。原位表面增强拉曼光谱和理论计算结果表明，SiO₂包覆铜纳米线的抗重构能力强化和催化稳定性提升源于界面处形成的坚固Cu−O−Si键合，该Cu−O−Si键不仅能作为结构锚点稳定铜纳米线的整体骨架结构，而且能增强裸露铜活性位点的Cu−Cu键合强度。

图1：SiO₂包覆策略提升铜纳米线抗重构能力并实现稳定催化电化学CO₂还原的示意图

中国科学技术大学化学与材料科学学院硕士生温小东和闵启智为本文的共同第一作者，通讯作者为中国科学技术大学苏育德研究员和张文华教授。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、姑苏创新创业领军人才计划、苏州市仿生界面科学重点实验室、上海市科学技术委员会等资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.5c03539

（纳米科学技术学院、仿生界面材料科学全国重点实验室、科研部）