南京大学「国家级青年人才」联手「院士」团队，新发Nature

第一作者：Yanming Cai

通讯作者：朱文磊，林跃河

通讯单位：南京大学，华盛顿州立大学

朱文磊，教授，江苏特聘教授，博士生导师，国家级青年人才计划入选者，主持国家自然科学基金面上项目，主持江苏省青年基金等。研究领域：基于减污降碳的光/电化学转化、温室气体资源化、表界面分析化学、碳中和与智慧能源。

林跃河，博士，美国华盛顿州立大学终身教授，美国医学与生物工程院(AIMBE) 院士，美国国家发明院 (NAI) 院士, 美国科学发展协会AAAS Fellow，英国皇家化学会 (RSC) Fellow，电化学会 (ECS) Fellow，华盛顿州科学院院士。林跃河教授致力于新型纳米生物电化学传感设备及纳米材料用于生物医学诊断及药物递送，设计功能纳米材料探索其在能源和环境中的应用。

论文速览

聚焦CO2电还原反应（CO2RR）一步选择性转化为乙酸和丙醇，对于实现碳中和具有重要意义。本研究报道了一种自增压纳米级胶囊催化剂，通过选择性封装创造铜催化剂周围的高压CO中间体环境。通过微观动力学模型、13CO2/12CO共馈实验和原位拉曼光谱学验证，确认了独特的CO-CO2耦合路径的参与，该路径仅在高CO中间体压力下启动。
因为COCO2*的动力学和能量优势，该路径有利于乙酸生产。乙酸的法拉第效率（FE）达到38.5%±2.2%（是没有封装时的8倍），乙酸局部电流密度为328±19 mA cm-2，超过了之前CO2RR催化剂的性能。
原位研究显示，纳米级胶囊催化剂内的CO压力可以达到8±3 bar。此外，以CuI衍生核的自增压纳米胶囊催化剂可以将CO2还原成丙醇，法拉第效率为25.7%±1.2%，转化率为155±3 mA cm-2。

图文导读

图1：自增压纳米胶囊催化剂的设计。

图2：通过DFT和微观动力学模型计算，揭示CO-CO2耦合路径的反应机理。

图3：在13CO2/12CO共馈条件下，CO-CO2耦合路径的机理研究。

图4：自增压纳米胶囊催化剂的结构和组成分析。

图5：Cu@CS-P自增压纳米胶囊催化剂在CO2RR中的性能。

图6：原位拉曼光谱图，揭示CO-CO2耦合路径下的中间体。

图7：其他自增压纳米胶囊催化剂的CO2RR性能。

总结展望
本研究的亮点在于开发了新型的自增压纳米胶囊催化剂，该催化剂通过创造高压CO中间体环境，显著提高了CO2电还原至乙酸和丙醇的效率。

研究数据显示，乙酸的法拉第效率高达38.5%±2.2%，局部电流密度达到328±19 mA cm-2，而丙醇的法拉第效率为25.7%±1.2%，转化率为155±3 mA cm−2。

结果表明，自增压纳米胶囊催化剂在提高CO2RR性能方面具有巨大的潜力，为实现碳中和目标提供了新的可能性。未来的研究可以进一步优化催化剂的设计，探索更广泛的应用场景。

文献信息

标题：Self-pressurizing nanoscale capsule catalysts for CO2 electroreduction to acetate or propanol

期刊：Nature Synthesis
DOI：10.1038/s44160-024-00552-2