近日，伟德国际1946源于英国钟苗课题组与多伦多大学Edward Sargent教授、卡耐基梅隆大学Zachary Ulissi教授团队合作，通过理论计算、实验测试与原位表征相结合的方式，首次开发纳米多孔Cu-Al合金催化剂材料，实现高效率和大产率的电催化还原二氧化碳（CO2）产乙烯（C2H4），该成果以“Accelerated Discovery of CO2 Electrocatalysts using Active Machine Learning”为题发表于Nature杂志（Nature581, 178–183 (2020)）。
在当前全球能源需求迅速上升和环境问题日益严重的背景下，开发清洁能源转化与存储技术尤为重要。通过电催化手段，更可以利用丰富的可再生电能直接还原工业和日常生活中的废气CO2 来制造高附加值的燃料或化学品，具有重要的科学意义和应用前景。在电催化CO2资源化过程中，高能量转换效率、大反应产率（大电流密度）及长稳定性是重要的技术指标。更为关键的是，电催化还原CO2一般涉及多电子转移步骤和多步上坡反应，副产物较多，因此厘清催化材料与反应步骤间构效关系，实现对单一重要产物的高选择性是实现反应可控的关键。
在此项工作中，研究人员构建了机器学习与传统密度泛函理论计算（DFT）互相反馈的筛选框架，大数据量的枚举了16，000 种以上不同金属或合金表面在不同原子排布条件下，对CO2 还原到多碳产物的关键中间体*CO 的表面吸附能，发现含铝4-20%的铜铝合金的多个低密勒指数面对含碳关键中间体*CO和反应要素*H都具有接近最优的吸附能，大幅降低了CO2活化加氢、C-C偶联、C-H成键等步骤的反应能垒，有效促进多碳产物乙烯的生成。
研究人员通过物理沉积加去合金化的新方法，在气体扩散电极上大面积制备了纳米多孔Cu-Al催化剂并调控其表面组分含量，实现了600 mA cm-2的超高电流密度下，CO2 到C2H4 80%的法拉第效率；通过改进电极结构，在保持150 mA cm-2的高电流密度下，实现了CO2 到C2H4 82%的法拉第效率和55%的阴极电能到化学能的能量转化效率。上述结果分别是当前电催化还原CO2 到C2H4 电流密度、法拉第效率和能量转化效率的纪录值。该工作为更深入理解CO2 还原的核心物理化学过程及提高电催化还原CO2 到关键多碳产物的性能以推动电催化CO2还原技术走向实际应用提供了经验。
在此项工作中，多伦多大学、伟德国际1946源于英国和卡内基梅隆大学分别为第一、二、三工作单位。该工作也得到了国家海外高层次人才项目、国家自然科学基金委、江苏省基金委、伟德国际1946源于英国项目的资助，以及伟德国际1946源于英国、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心、江苏省功能材料设计原理与应用技术重点实验室的大力支持。
图.（a）新型纳米多孔Cu-Al 合金催化剂反应示意图。（b）600 mA cm-2,达到80%的C2H4法拉第效率。（c）电极结构、反应环境与测试条件的优化实现高电流密度和高阴极能量转换率。(d) 机器学习与DFT 算法相结合，计算CO2 还原中不同金属及表面对反应关键中间体*CO 和重要反应物*H 的吸附能与CO2 还原产C2H4 的反应活性（左）和选择性（右）的二维火山图。(e) 电催化CO2还原反应中间体在Cu 与12%Al 掺杂的Cu（111）表面，及Cu 与4%Al 掺杂的Cu(100)表面的能垒图。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2242-8
（钟苗课题组 供稿)
