3月11日，《Nature communications》 在线发表了题为“Complementary Operando Spectroscopy identification of in-situ generated metastable charge-asymmetry Cu₂-CuN₃ clusters for CO₂ reduction to ethanol”的研究文章。使用可持续能源将二氧化碳电化学转化为增值产品是环保且经济的方法。然而，复杂的产物选择性限制了二氧化碳减排的发展和应用。铜基材料是二氧化碳还原为多碳产物的有效催化剂，活性位点的局部结构和电子状态的揭示对研究CO₂转化为C₂₊产物的反应途径和催化机制具有重要意义。由于多维度对反应系统进行原位监测的研究较少，电催化剂的原子构效关系对活性和选择性的影响机制尚不明确。该论文合成了由负载在N掺杂的碳纳米片上的 CuO簇组成的高性能CO₂RR催化剂，该催化剂在-1.1V vs. RHE下，表现出51% 的乙醇法拉第效率。论文作者揭示了反应条件下催化剂的重组并跟踪了其活性状态的变化，从实验和理论上阐释了催化界面处的原子构效关系。Operando XAS、XANES模拟和准原位XPS分析确定了从分散的CuO簇到作为最佳位点的亚稳态电荷不对称Cu₂-CuN₃簇的可逆的电位依赖性转变。通过调节Cu原子和N掺杂碳界面之间的电荷分布保持Cu_n簇优异的稳定性和高活性。通过结合 Operando FTIR 和 DFT理论计算，发现Cu₂-CuN₃簇表现出电荷不对称位点，CH₃* 吸附增强了这些位点，有利于高效不对称乙醇的形成。
文章的通讯作者为北京理工大学陈文星助理教授和中国科学院上海高等研究院王宇研究员。本研究得到了国家自然科学基金青年项目、北京理工大学人才引进启动项目、中科院青年创新促进会、上海同步辐射装置运行研究项目、中科院大型科学装备维修改造项目、国家重大科研仪器研制项目、中科院合肥科学中心卓越用户计划等的支持。

图1 催化剂的Operando XAFS表征图及基于Operando XAS和准原位XPS分析的催化活性Cu_n-CuN₃簇的可逆形成方案（红褐色，O；灰色，C；紫色，N；蓝色，Cu与N和Cu键合；绿色，Cu只是与Cu键合）
文章信息：Su, X., Jiang, Z., Zhou, J. et al. Complementary Operando Spectroscopy identification of in-situ generated metastable charge-asymmetry Cu₂-CuN₃ clusters for CO₂ reduction to ethanol. Nat Commun 13, 1322 (2022).
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29035-8