化石燃料的持續消耗和人類活動導致的碳和氮排放不斷增加已經引起了全球對能源和環境危機的關注。開發可持續的策略來實現碳和氮循環對克服上述問題至關重要。由可再生能源驅動的電催化反應已經成為緩解這些問題的有希望的方法，同時生產有價值的化學品。例如，電化學CO₂還原(CO₂RR)成碳氫化合物和含氧化合物，以及電催化NO₃^?還原反應(NITRR)生產氨。而這些電化學過程涉及復雜的多電子轉移反應，在動力學和熱力學方面都有限制。

對于CO₂RR，由于C-C偶聯的緩慢熱力學和動力學，C₂產物的選擇性和反應速率較低；NITRR通常涉及9個質子和8個電子(NO₃^?+9H⁺+8e^?→NH₃+3H₂O)的復雜過程，也影響了氨的選擇性和電流密度。因此，有必要進一步開發CO₂RR和NITRR的高效、經濟的電催化劑，以促進CO₂RR和NITRR的實際應用。

近日，香港城市大學葉汝全、香港科技大學唐本忠、萊斯大學Boris I. Yakobson、新加坡科技研究局席識博、華東理工大學朱明輝等利用激光輔助制造技術合成了尖端角度可控、納米顆粒豐富的Cu_xO雙錐體，闡明了電場和界面的協同作用如何通過控制電子傳輸和離子濃度在雙功能電化學CO₂RR和NITRR中發揮作用的機理。

以電化學CO₂RR為例，Cu_xO尖銳的針尖幾何形狀產生局域強電場，改善電子輸運和離子濃度，從動力學角度調控反應微環境；同時，豐富的Cu⁺/Cu²⁺界面提供了大量的活性位點，降低了反應勢壘，促進了*OC-COH的生成，從而在熱力學上促進了還原反應的進行，兩種效應的結合導致了優異的催化性能。更重要的是，場效應和納米顆粒界面也有利于提升電化學NITRR活性。

性能測試結果顯示，最優的L-Cu_xO-HC的C₂₊部分流密度為665.9 mA cm^-2，CO2RR的法拉第效率(FE)為81%；同時，該催化劑的NH₃產率為81.83 mg h^-1 mg^-1，NH₃部分流密度超過600 mA cm^-2，優于目前文獻報道催化劑。此外，L-Cu_xO-HC作為一種雙功能催化劑在綠色化學工業中具有潛在的應用價值，可以將廢水和廢氣轉化為有價值的產品。總的來說，該項工作結合有限元模擬和密度泛函理論(DFT)計算，為局部增強電場和界面活性位點提供了深入的理解，同時所提到的激光合成方法也將啟發設計下一代多電子還原催化劑用于實現碳和氮循環。

Accelerating multielectron reduction at Cu_xO nanograins interfaces with controlled local electric field. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-43303-1