DOI: 10.1039/D0TA03322G

用于CO₂电解还原的电催化剂不仅需要高性能的活性材料来控制串联反应，还需要导电且耐用的载体，以确保在苛刻的操作条件下的长期稳定性。不同于将金属附着在载体上制成的常规多相催化剂，研究者制备了一种自形成的串联催化剂，该催化剂可用于将CO₂级联电解还原为C₂H₄。使用氧分压控制煅烧法，将电纺醋酸铜/聚丙烯腈纳米纤维成功转变为由N掺杂和金属Cu颗粒组成的多孔碳纳米纤维。与Cu原子相邻的掺杂氮原子通过增加Cu表面的CO*量来触发反应，从而降低用于C₂H₄生产的CO二聚反应所需的能量。相对于RHE，铜包埋的氮掺杂碳纳米纤维在电位为-0.57 V的条件下，具有62％的C₂H₄法拉第效率、600 mA/cm2的高电流密度和出色的长期稳定性。DFT计算表明，降低的过电势源自降低的CO二聚能垒，这是由于N掺杂触发了Cu颗粒周围的CO生成。

图1.（a）Cu/N-CNF的示意图，（b）热力学设计煅烧的Ellingham图，（c）煅烧过程中Cu颗粒/富N碳的形成。

图2.（a）Cu30/N-CNF、（b）Cu50/N-CNF和（c）Cu50/CNF的SEM图像（每个插图；TEM图像）。（d）Barrett-Joyner-Halenda（BJH）图，（e）每种元素的重量浓度，以及（f）Cu30/N-CNF、Cu50/N-CNF和Cu50/CNF催化剂中每种N掺杂的原子含量。

图3.电催化CO₂还原性能。（a）电流密度和（b）ECSA归一化电流密度与施加电势的关系，（c）Cu30/N-CNF、Cu50/N-CNF和Cu50/CNF催化剂产物的法拉第效率与电流密度的关系。（d）CO和（e）C₂H₄的法拉第效率与施加电势的关系。

图4.在铜表面每单位晶胞为（a）4 CO*和（b）9 CO*的情况下，通过DFT计算了在CO₂二聚反应过程中初始、过渡和最终状态的吉布斯自由能。

图5.性能比较和稳定性测量。（a）C₂H₄的选择性（虚线：功率转换效率），（b）C₂H₄局部电流密度与施加电势之间的关系，以及（c）在电流密度为200 mA/cm²（5 M KOH）的恒电流实验期间C₂H₄的法拉第效率。