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電解質中堿金屬陽離子的存在對電化學二氧化碳還原（CO?R）的反應活性和選擇性具有重要影響。

成果簡介

針對這一問題，俄亥俄州立大學Anne C. Co課題組、賓夕法尼亞州立大學Andrew Jark-Wah Wong教授攜手在Science Advances期刊上發表了題為“Cation effects on CO2 reduction catalyzed by single-crystal and polycrystalline gold under well-defined mass transport conditions”的最新論文。本研究在受控的傳質條件下，系統考察了陽離子在單晶和多晶 Au 表面 CO?R 過程中的作用。

結果表明，無論陽離子種類或表面結構如何，CO? 吸附均為速率決定步驟。密度泛函理論（DFT）計算表明，電子轉移發生在溶劑化的 CO?-陽離子復合物上。此外，僅在具有相似表面配位的 Au 上，較正的零電荷電位（PZC）可增強 CO?R 活性。

研究發現，速率決定步驟的對稱因子（β）隨表面結構和陽離子種類變化，DFT 計算進一步表明 β 對表面及雙電層結構具有敏感性。這些發現強調了表面結構和雙電層結構在理解陽離子對 CO?R 影響中的關鍵作用。

研究亮點

(1) 本研究首次在受控傳質條件下，系統研究了堿金屬陽離子對單晶和多晶 Au 電極 CO? 還原（CO?R）反應的影響，揭示了陽離子對 CO?R 活性和選擇性的調控機制。

(2) 研究通過旋轉環盤電極（RRDE）測量 CO 生成速率，并結合密度泛函理論（DFT）計算，發現 CO? 吸附是 CO?R 的速率決定步驟，該步驟與陽離子種類和表面結構無關。

(3) 通過測定零電荷電位（PZC），發現 PZC 越正，CO?R 活性越高，但這一趨勢僅在表面配位數相近的 Au 電極上成立，說明 PZC 對 CO?R 活性的影響具有表面結構依賴性。

(4) 研究進一步利用塔菲爾分析和同位素標記實驗（KIE）確定 CO? 還原的電子轉移機制，發現不同陽離子會影響速率決定步驟的對稱因子（β），表明陽離子在 CO?R 電動力學中起到關鍵作用。

(5) DFT 計算表明，電子轉移發生在溶劑化的 CO?-陽離子復合物上，不同陽離子和表面結構會改變該復合物的穩定性，從而影響 CO?R 的動力學特性。

圖文解讀

圖 1. 不同 Au 電極的循環伏安表征。

圖 2. 在 0.1 M 堿金屬碳酸氫鹽電解質中，不同 Au 電極通過 RRDE 伏安法測得的 CO 部分電流密度。

圖 3. 在相同 Au 電極上，?0.5 VRHE下 CO 部分電流密度與 PZC 之間的關系。

圖 4. 在相同電解質中，?0.5 VRHE下 CO 部分電流密度與 PZC 之間的關系。

圖 5. CO2 還原生成 CO 的塔菲爾斜率（對稱因子 β）隨陽離子種類的變化。

圖 6. DFT 模擬 *CO2? 形成過程，包含顯式陽離子和 H2O。

圖 7. DFT 預測的對稱因子與實驗測得對稱因子的比較。

結論展望

本研究全面理解陽離子對 CO? 還原（CO?R）的影響對于開發高效的電極-電解質界面，從而構建實際 CO?R 電解器至關重要。為此，本研究在 0.1 M 碳酸氫鹽電解質（LiHCO?、NaHCO?、KHCO?、RbHCO? 和 CsHCO?）中，在受控的傳質條件下，對五種模型 Au 電極上的 CO?R 過程進行了系統研究。實驗結果表明，不同 Au 電極對陽離子的影響趨勢不同，強烈表明陽離子效應具有結構敏感性，且電極表面結構在 CO?R 過程中的陽離子影響中起著重要作用。

盡管較正的零電荷電位（PZC）有助于提高具有相似配位數的 Au 表面位點的 CO?R 活性，但 PZC 作為描述符仍然存在局限性。塔菲爾分析和同位素效應（KIE）實驗表明，CO? 吸附步驟與同時發生的電子轉移步驟可能是 Au 上 CO?R 過程的速率決定步驟（RDS）。研究發現，表面結構和陽離子種類均能改變 RDS 的對稱因子（β），并且在幾乎所有 Au 電極上，不同陽離子的 β 值呈現出類火山形趨勢，其中 Rb? 產生的 β 值最大。DFT 計算進一步證實，在 CO?R 的 RDS 中，電子轉移發生在溶劑化的 CO?-陽離子復合物上。

此外，RDS 的對稱因子對表面結構和電雙層（EDL）結構均具有敏感性。因此，所觀察到的結構敏感型陽離子效應來源于 CO?R 過程中 EDL 結構與電極表面結構的相互作用。要合理解釋陽離子效應，必須同時考慮電極表面結構和 EDL 結構，這為 CO?R 過程的電子結構研究和原子級建模帶來了挑戰。

文獻信息

Zhihao Cui et al. ,Cation effects on CO2 reduction catalyzed by single-crystal and polycrystalline gold under well-defined mass transport conditions.Sci. Adv.11,eadr6465(2025).DOI:10.1126/sciadv.adr6465

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