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通過電催化CO₂還原反應(CO₂RR)將CO₂轉化為增值原料和燃料，為同時減少CO₂排放和滿足不斷增長的能源需求提供了一條可持續(xù)的途徑。與C₁產物相比，C₂₊產物(乙烯、乙醇和正丙醇)具有更高的能量密度和價值。

目前，銅可能是唯一能將CO₂轉化為C₂₊產物的催化劑，具有較高的活性和效率。同時，以往的研究表明，Cu⁺位點對提高C₂₊產物的選擇性起關鍵作用，銅離子不但可加強對*CO的吸附以促進C?C偶聯反應，亦可穩(wěn)定碳二中間體(例如OCCOH*)。然而，在CO₂RR過程中，Cu⁺在負電位下不穩(wěn)定，這限制了其大規(guī)模應用。

近日，中科院化學研究所韓布興和孫曉甫等首先計算了CO₂RR的熱力學極限電位與析氫反應(HER)的差值，以及不同金屬摻雜的Cu₂O與*CO的結合能。結果表明，在Cu₂O中摻入原子Gd可以有效地改善催化劑的性能。

基于理論計算結果，研究人員通過一步溶劑熱法合成了Gd摻雜CuO_x催化劑(Gd₁/CuO_x)，其中原子分散的Gd具有獨特的電子結構和較大的離子半徑，能夠有效穩(wěn)定Cu⁺離子并誘發(fā)拉伸應變，從而使催化劑具有優(yōu)良的電化學CO₂還原為C₂₊產物的性能。

因此，所制備的Gd₁/CuO_x催化劑在?0.8 V_RHE下的C₂₊產物的法拉第效率(FE)為81.4%，C₂₊的部分電流密度為444.3 mA cm^?2。實驗結果和理論計算表明，Gd原子摻雜和拉伸應變增強了關鍵中間體O* CCO的穩(wěn)定性，降低了C?C偶聯反應的能壘，從而顯著提高了CO₂電轉化為C₂₊產物的活性。

綜上，該項工作證明了稀土金屬可以通過自身獨特的電子結構和較大的離子半徑有效地改善銅基催化劑的CO₂RR性能，這為設計更多的高性能催化劑提供了一定的啟發(fā)。

Improving CO₂-to-C₂₊ Product Electroreduction Efficiency via Atomic Lanthanide Dopant-Induced Tensile-Strained CuO_x Catalysts. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c0242

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