缺陷工程驱动的C2+产物性能提升：在酸性CO2电还原过程中，相较于FeCN改性的Cu材料

《Journal of Colloid and Interface Science》：Defect engineering-driven enhancement of C 2+ products over FeCN-modified cu for acidic CO 2 electroreduction

酸性条件下铜基催化剂通过FeCN修饰实现缺陷工程，显著提升CO?还原为C?+产物效率，达73.07% Faradaic效率。DFT和ATR-FTIR证实FeCN降低Cu缺陷形成能，增强CO吸附覆盖，促进C-C偶联。

　　二氧化碳的电化学还原反应（CO?RR）是一种将二氧化碳转化为高附加值化学品和燃料的重要方法，特别是在可再生能源驱动的背景下。这一过程在工业中具有巨大的潜力，因为二氧化碳是一种广泛存在的温室气体，将其转化为有用的产物不仅可以减少碳排放，还能为可持续发展提供新的资源。然而，尽管CO?RR在理论上展现出广阔前景，其实际应用仍面临诸多挑战，尤其是在酸性环境中。

酸性环境下的CO?RR相较于碱性或中性条件具有明显的优势，例如能够有效抑制碳酸盐的形成，减少其在电解液和电极界面的积累，从而提高系统的稳定性和效率。此外，酸性条件还可以降低电池内阻和阳极过电位，为实现更高效的电化学反应创造有利条件。然而，酸性环境下的CO?RR性能仍然远低于碱性系统，主要原因在于氢气析出反应（HER）的竞争性增强。在低pH条件下，HER的活性显著提高，这使得CO?RR的反应效率受到限制，因为反应过程中容易发生氢气的优先生成，而减少了CO?转化为多碳产物的机会。

为了克服这一问题，研究者们提出了多种策略，其中缺陷工程（defect engineering）被认为是极具前景的方法之一。缺陷工程主要通过调控催化剂表面的缺陷形成能量，从而诱导出大量且稳定的表面缺陷。这些缺陷不仅能够改变催化剂的局部电子结构，还能优化反应中间体的吸附和反应路径，提高CO?RR的催化性能。在这一领域，铜（Cu）作为一种高效的电催化剂，被广泛应用于CO?向多碳产物的转化过程中。然而，传统的Cu催化剂在酸性环境中往往难以达到工业所需的电流密度（>200 mA·cm?2），这限制了其在实际应用中的推广。

因此，研究者们开始探索如何通过材料改性来优化Cu催化剂在酸性环境中的性能。其中，一种有效的方法是通过金属掺杂（如铁、钴等）来改性碳氮化物（如g-C?N?）。这些金属掺杂的碳氮化物（MCN）能够引入原子尺度的缺陷，从而改善催化剂的电子结构，提高其对CO?的吸附和活化能力。此外，MCN还可以通过其与Cu之间的强相互作用，促进铜表面的结构重构，从而增强催化剂的活性和稳定性。

在本研究中，我们提出了一种新的缺陷工程策略，通过将Fe掺杂的碳氮化物（FeCN）与磁控溅射法制备的铜纳米颗粒（MSCu）相结合，从而生成和稳定高密度的Cu表面缺陷。这种策略不仅能够降低Cu缺陷的形成能量，还能提高活性位点的密度，从而增强CO中间体的吸附能力，促进C–C耦合反应的进行。通过这种方法，我们成功合成了一种FeCN修饰的MSCu催化剂（MSCu-FeCN），并将其应用于酸性膜电极组件（MEA）中，以实现高效的CO?RR反应。

在实验中，MSCu-FeCN催化剂在500 mA·cm?2的电流密度下，表现出高达73.07%的C?+法拉第效率（FE）和57.30%的单次通过CO?转化效率（SPCE），这在酸性MEA系统中是前所未有的高水平。这些优异的性能表明，FeCN修饰能够显著改善MSCu催化剂在酸性环境中的催化活性和选择性。为了进一步验证这一结论，我们采用了一系列表征技术，包括原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱（in-situ ATR-FTIR）和密度泛函理论（DFT）计算。这些技术的结果表明，FeCN修饰能够有效降低Cu缺陷的形成能量，提高表面缺陷的密度，从而增强CO中间体的吸附和C–C耦合反应的效率。

本研究不仅为酸性CO?RR提供了一种新的催化剂设计思路，还为工业级电催化系统的开发提供了重要的理论支持。通过缺陷工程策略，我们成功实现了高效率、高选择性的CO?RR反应，为未来的绿色化学和能源转换技术提供了新的方向。此外，这一研究还揭示了缺陷工程在电催化反应中的关键作用，为相关领域的进一步研究奠定了基础。在实际应用中，这种催化剂有望用于开发高效的二氧化碳转化装置，为实现碳中和目标提供技术支持。