北大材料学院郭少军团队在Nature Synthesis发表新型图灵型拓扑催化剂提升二氧化碳电制甲酸盐的重要进展

二氧化碳电化学还原反应（CO₂RR）为实现可再生电力转化为高附加值化学品提供了一条可持续的途径。目前，国内外研究人员在CO₂RR催化剂制备方面已开展相关研究，但现有催化剂仍难以实现在工业级电流密度（> 200 mA cm^-2）下高催化选择性和稳定性，严重制约了其应用发展。

研究表明，局部微环境调节是优化CO₂RR的一种有效方式。在CO₂RR相关的局部微环境中，由H₂O主导的氢键网络对电化学反应中的氢转移速率（涉及CO₂RR的关键过程）起着关键作用。然而，尽管多数研究已尝试从电解液特性视角对氢键网络进行优化，但却忽略了催化剂本征结构对局部微环境的影响。

为此，北京大学郭少军教授团队报道了新型图灵型拓扑结构催化剂，通过调节表面亲氧性诱导界面水的重新取向，显著提升了在工业电流密度下二氧化碳电催化的高选择性和高稳定性。相关工作以“Industrial-level CO₂to formate conversion on Turing-structured electrocatalysts”为题发表于Nature Synthesis上。

该研究工作提出一种普适性方法制备了富晶界的多孔图灵型氧化锡锑纳米片催化剂（图1&2）。原子力显微镜表征结果（图2a）揭示了图灵型氧化锡锑纳米片的超薄特性。电子顺磁共振（图2b）和扩展X-射线精细表征结果（图2f）证明了图灵型催化剂具有富缺陷和低配位数的特征。

图1.图灵型氧化锡锑催化剂的微观结构。

图2.图灵型氧化锡锑催化剂的精细结构表征。

二氧化碳电催化转换器件性能研究表明，在碱性和酸性的流动池中，图灵型氧化锡锑纳米片均实现了1000 mA cm^-2工业电流密度下的高效CO₂电还原合成甲酸盐性能（图3a），甲酸盐法拉第效率高达92%；在MEA电解槽中，图灵型氧化锡锑纳米片在3.3V的超低槽压下，实现了高工业级电流密度（2500 mA，500 mA cm^-2）下200 h稳定运行纪录，全电池能量效率高达39.1%，甲酸盐生成速率高达8.0 mmol h^-1cm^-2（图3d），超越了现有文献报道的二氧化碳电制甲酸盐电解槽的最高水平（图3e）。

图3.二氧化碳电制甲酸盐电解槽性能。

原位ATR-FTIR研究结果（图4）表明，图灵结构上的4-HB/2-HB界面水比（图灵SnO₂为3.10，图灵Sb_0.1Sn_0.9O₂为1.60）显著高于非图灵结构（SnO₂为0.26），表明图灵结构的拓扑特征有效强化了电极-电解质界面处的氢键网络相互作用，同时也表明界面水的取向受到图灵结构的显著调控。

图4.界面水微环境调控的原位光谱表征。

结合实验表征与理论计算结果（图5），证实了通过精准调控图灵催化剂亲氧性可实现界面水分子（4-HB/2-HB比率0.26-3.10）的重新取向，从而在工业级电流密度（300-1000 mA cm^-2）下维持甲酸盐电合成的高法拉第效率（>90%）。通过建立本征活性与图灵结构亲氧性的火山型构效关系，明确了最优性能的活性位点调控准则。本研究强调了拓扑介导的界面水微环境调控在工业级CO₂到甲酸盐电催化转化的应用前景，为其他高附加值原料的工业电合成开辟了新途径。

图5.理论描述符和催化性能的相关性。

材料科学与工程学院博士后野娜、博士后王凯、博士生谭颖俊为论文的共同第一作者，郭少军教授为论文的唯一通讯作者。该项工作得到了崂山实验室科技创新项目、国家杰出青年科学基金、北京市自然科学基金、博士后面上科学基金等项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00769-9