J. Mater. Chem. A：銅嵌入氮摻雜碳納米纖維催化劑的熱力學驅動自形成，用于將二氧

DOI: 10.1039/D0TA03322G

用于CO₂電解還原的電催化劑不僅需要高性能的活性材料來控制串聯反應，還需要導電且耐用的載體，以確保在苛刻的操作條件下的長期穩定性。不同于將金屬附著在載體上制成的常規多相催化劑，研究者制備了一種自形成的串聯催化劑，該催化劑可用于將CO₂級聯電解還原為C₂H₄。使用氧分壓控制煅燒法，將電紡醋酸銅/聚丙烯腈納米纖維成功轉變為由N摻雜和金屬Cu顆粒組成的多孔碳納米纖維。與Cu原子相鄰的摻雜氮原子通過增加Cu表面的CO*量來觸發反應，從而降低用于C₂H₄生產的CO二聚反應所需的能量。相對于RHE，銅包埋的氮摻雜碳納米纖維在電位為-0.57 V的條件下，具有62％的C₂H₄法拉第效率、600 mA/cm2的高電流密度和出色的長期穩定性。DFT計算表明，降低的過電勢源自降低的CO二聚能壘，這是由于N摻雜觸發了Cu顆粒周圍的CO生成。

圖1.（a）Cu/N-CNF的示意圖，（b）熱力學設計煅燒的Ellingham圖，（c）煅燒過程中Cu顆粒/富N碳的形成。

圖2.（a）Cu30/N-CNF、（b）Cu50/N-CNF和（c）Cu50/CNF的SEM圖像（每個插圖；TEM圖像）。（d）Barrett-Joyner-Halenda（BJH）圖，（e）每種元素的重量濃度，以及（f）Cu30/N-CNF、Cu50/N-CNF和Cu50/CNF催化劑中每種N摻雜的原子含量。

圖3.電催化CO₂還原性能。（a）電流密度和（b）ECSA歸一化電流密度與施加電勢的關系，（c）Cu30/N-CNF、Cu50/N-CNF和Cu50/CNF催化劑產物的法拉第效率與電流密度的關系。（d）CO和（e）C₂H₄的法拉第效率與施加電勢的關系。

圖4.在銅表面每單位晶胞為（a）4 CO*和（b）9 CO*的情況下，通過DFT計算了在CO₂二聚反應過程中初始、過渡和最終狀態的吉布斯自由能。

圖5.性能比較和穩定性測量。（a）C₂H₄的選擇性（虛線：功率轉換效率），（b）C₂H₄局部電流密度與施加電勢之間的關系，以及（c）在電流密度為200 mA/cm²（5 M KOH）的恒電流實驗期間C₂H₄的法拉第效率。