二氧化碳电催化界面微环境调控领域取得新进展

研 究 背 景

对于电催化过程，电催化剂与电解液界面处形成一个特殊的限域空间，也被称为界面微环境，其组成和结构具有高度的外加电场依赖性，且受到催化剂结构和电解液组分的共同影响。电催化过程中的反应物、中间体和产物均通过界面微环境扩散到催化剂表面或本体电解液中，界面微环境结构对其内部反应与传递过程有着极为重要的影响。

界面微环境结构与本体电解液结构显著不同，且无明确的边界。界面微环境结构随着外加电场的改变会发生动态演变，研究电催化剂与电解质界面微环境的分子尺度结构及其对外加电场的动态响应规律，是实现电催化剂与电解液高效匹配的关键。

文 章 简 介

本文中，华东理工大学李春忠教授和江宏亮特聘研究员在二氧化碳电催化界面微环境调控领域取得新进展。相关成果以“Dynamically Formed Surfactant Assembly at the Electrified Electrode-Electrolyte Interface Boosting CO2 Electroreduction”发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。

图1. 季铵盐阳离子表面活性剂在电极与电解液界面微环境中动态形成的表面活性剂组装结构构建亲气-憎水的通道。

本 文 要 点

针对CO2和水共同参与的电催化还原过程，该工作创新性地采用了具有不同烷基链长度的季铵盐阳离子表面活性剂作为电解液添加剂，利用原位红外和拉曼光谱结合分子动力学interwetten与威廉的赔率体系 ，研究了表面活性剂在电催化剂表界面的动态组装行为，以及CO2和水在界面微环境的动态分布和反应活性。发现随着偏置电位的增加，季铵盐阳离子表面活性剂在界面微环境中由无序排列转变为有序组装。

表面活性剂动态形成的有序组装结构可以形成更紧密的双电层结构，促进界面微环境中的传荷和传质；另外发现烷基链长度越长，界面电容值越高，越有利于界面微环境中的荷质传递。通过原位红外和拉曼光谱表征，发现长链表面活性剂形成的有序结构通过排斥界面处的isolated water调节界面水的氢键环境、降低界面水的解离活性，并促进CO2在界面微环境中的富集，从而提高了CO2电还原制CO的选择性和偏电流密度。

进一步利用分子动力学模拟，阐明了界面微环境中分子尺度的物质分布特征及其在外加电场下的演变规律，验证了原位实验光谱中观察到的表面活性剂的构象演变过程，发现长链表面活性剂形成的有序组装结构构建了亲气-憎水的通道，从而提高了气体的传质通量和反应选择性，抑制了电解水析氢的活性。该工作对界面微环境的认识可以推广到其他与水有关的电化学反应中，如水溶液中的氮气还原、氧气还原以及有机分子电还原。

图2. 界面微环境的原位红外和拉曼光谱表征。

通 讯 作 者 简 介

江宏亮 特聘研究员，本科（2007-2011）和研究生（2011-2016）均毕业于华东理工大学，博士毕业后进入中国科学威廉希尔官方网站 大学国家同步辐射实验室从事博士后研究工作。2019年6月回到华东理工大学化工学院李春忠教授团队。

主要从事电催化材料服役行为研究，致力于电催化界面反应与传递过程解析和调控。以第一作者/通讯作者在Natl. Sci. Rev.、Fund. Res.、CCS Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Acc. Chem. Res.、Mater. Today、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、ACS Energy Lett.、Chem. Eng. Sci.等国内外重要期刊发表论文30余篇。

入选2020年上海高校特聘教授（东方学者），担任国际期刊《SmartMat》、《Rare Metals》青年编委以及中国颗粒学会第三届青年理事，主持国家自然科学基金面上项目和青年基金项目等，作为项目骨干参与国家自然科学基金委大科学装置联合重点和上海市基础重大项目等。

李 春 忠 教授，长期从事纳米材料和低碳能源化工领域的研究，曾任超细材料制备与应用教育部重点实验室主任和材料科学与工程学院院长，目前担任化工学院院长和上海多级结构纳米材料工程威廉希尔官方网站 研究中心主任。

2018-2021年入选科睿唯安跨学科领域全球高被引科学家，英国皇家化学会会士（FRSC），教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，入选国家百千万人才工程并被授予“有突出贡献中青年专家”称号，全国优秀教师，全国优秀科技工作者，教育部跨世纪优秀人才。第八届教育部科技委量子科学与柔性电子专委会委员，国家自然科学基金委员会第十二、十三届化学科学部专家评审组成员。

担任《Ind. Eng. Chem. Res.》和《Chin. J. Chem. Eng.》副主编，《Particuology》顾问编委，《Green Chem. Eng.》编委等。主持承担和完成了国家自然科学基金重点项目、国家杰出青年科学基金、国家国际合作项目和国家863计划等项目。申请中国发明专利130余项，其中授权102项；在Nat. Catal.、Natl. Sci. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nature Commun.等期刊发表SCI论文580余篇，其中化工主流期刊AIChE J.、Chem. Eng. Sci.、Ind. Eng. Chem. Res.和Chem. Eng. J.等60余篇，国内外学术会议大会和特邀报告100余次。

发表论文总被SCI引用29000余次，H因子82，ESI高被引论文40余篇。作为第一完成人获得2020年度国家自然科学二等奖、2009年度国家科技进步二等奖，2017年度上海市威廉希尔官方网站 发明一等奖，2014年度上海市自然科学一等奖，2010年度教育部自然科学一等奖，2009、2006和2004年度上海市科技进步一等奖，以及省部级科技进步二等奖1项和自然科学二等奖2项。

审核编辑 ：李倩