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二氧化碳電化學還原反應(CO₂RR)是實現碳循環和儲存可再生能源發電的有效途徑。在各種還原產物中，C₂產物由于具有較高的經濟價值，Cu是唯一能將CO₂電化學還原為多碳產物的過渡金屬。但Cu對C₂產物的選擇性不高，這阻礙了它的工業應用。

為了提高Cu催化劑上C-C偶聯生成C₂產物的效率，人們通過摻雜、合金化和形貌優化等方法對催化劑進行了大量的化學改性，這本質上旨在調節固體電解質界面的固體側，也稱為雙電層(EDL)。在溶液側，電極界面的主要溶液成分是界面水分子和陽離子。最近的研究表明，陽離子配位對于CO₂活化是必不可少的，而沒有金屬陽離子就沒有還原活性，但是這對于C-C偶聯是否成立? 同時，對陽離子如何調節界面水的不同作用以及這種調節對C-C偶聯的影響也缺乏了解。

基于此，北京大學深圳研究生院潘鋒和鄭世勝等采用具有受限MD和慢生長的從頭算分子動力學(AIMD)模擬，從理論上研究了界面水和堿金屬陽離子對Cu(100)電極/電解質界面C-C耦合的影響。研究人員觀察到界面水對含碳中間體的氫鍵穩定作用與相應的C-C耦合自由能的降低呈線性關系，較大的陽離子可以與*OCCO配位，部分取代水的氫鍵穩定性。然而，不同的陽離子對CO二聚反應的能量影響很小，不管陽離子是否與*OCCO物種配位。

降低C-C耦合能壘的主要原因是由電極電勢引起的*CO的充電：較大的陽離子與*CO+*CO配位后，可以排斥周圍的水分子，形成局部的疏水環境，使*CO+*CO構型缺乏氫鍵，這有效地減少了*CO向C₁途徑的質子化，這是較大陽離子促進C-C偶聯的主要因素。

總的來說，該項工作在原子水平上綜合考慮了陽離子-水-吸附質的相互作用，為理解陽離子促進效應提供了一種新的機制，也為設計高效的CO₂RR催化劑以提高活性和選擇性提供了理論指導。

Cation-induced interfacial hydrophobic microenvironment promotes the C–C coupling in electrochemical CO₂ reduction. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c13602

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北大深研院JACS：陽離子誘導界面疏水微環境，促進CO2RR中C-C耦合

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