类型a：这篇文档报告了一项原创研究。
主要作者与机构及发表信息
本研究的主要作者包括Mengyang Fan、Jianan Erick Huang、Rui Kai Miao等，他们分别隶属于加拿大多伦多大学机械与工业工程系（Department of Mechanical and Industrial Engineering, University of Toronto）和电气与计算机工程系（Department of Electrical and Computer Engineering, University of Toronto），以及新西兰奥克兰大学化学科学学院（School of Chemical Sciences, The University of Auckland）。该研究于2023年8月21日在线发表在《自然催化》（Nature Catalysis）期刊上，属于第6卷第9期。
学术背景
本研究聚焦于电化学二氧化碳还原反应（CO₂RR, Electrochemical CO₂ Reduction Reaction）领域。CO₂RR是一种将二氧化碳转化为燃料和化学品的技术，具有降低碳排放的潜力。然而，在碱性或中性环境中进行CO₂RR时，二氧化碳容易转化为碳酸盐，导致单程CO₂转化效率（SPC, Single-Pass CO₂ Conversion Efficiency）较低，并带来额外的能量成本。尽管酸性环境可以避免碳酸盐形成并提高SPC，但由于氢气析出反应（HER, Hydrogen Evolution Reaction）的竞争，酸性条件下的CO₂RR选择性较低。此外，添加高浓度碱金属阳离子虽然能够提升CO₂RR的选择性，但会导致催化剂表面盐结晶，限制系统稳定性。因此，如何在酸性环境中同时实现高选择性和高稳定性成为研究的关键问题。本研究旨在通过开发一种新型阳离子功能化催化剂来解决这一难题。
研究流程
本研究包括以下几个主要步骤：
催化剂设计与制备
研究团队设计了一种阳离子功能化（CG, Cationic-Group Functionalized）铜催化剂。具体而言，通过在铜表面涂覆含有苯并咪唑鎓阳离子的功能化离聚物层（ionomer coatings），实现了对界面电场的调控。研究测试了三种不同阳离子密度的离聚物涂层（CG-Low、CG-Medium、CG-High），并通过喷洒法制备了这些涂层。为了进一步保护催化剂免受质子侵蚀，研究还引入了一层碳纳米颗粒（CNPs, Carbon Nanoparticles）作为物理屏障。
实验装置与测试方法
实验采用三电极流动池系统，其中CG修饰的铜作为阴极，铂网作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极。电解液为0.2 M H₂SO₄，CO₂以50 sccm的流速供应。研究通过循环伏安法（CV, Cyclic Voltammetry）、电化学阻抗谱（EIS, Electrochemical Impedance Spectroscopy）和原位表面增强拉曼光谱（SERS, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy）等技术表征了催化剂性能。
分子动力学模拟与理论计算
为了深入理解阳离子功能化的作用机制，研究团队进行了分子动力学（MD, Molecular Dynamics）模拟和有限元分析（FEM, Finite Element Method）。MD模拟用于研究水分子和CO₂在铜表面的分布情况，而FEM则用于计算界面电场强度。这些模拟揭示了阳离子功能化如何通过调控局部pH值和抑制质子迁移来促进CO₂活化。
数据分析与验证
数据分析包括对产物选择性（FE, Faradaic Efficiency）、电流密度、全电池电压等参数的统计分析。研究团队通过气相色谱（GC, Gas Chromatography）和核磁共振（NMR, Nuclear Magnetic Resonance）技术定量分析了CO₂RR的产物组成，并计算了相关效率指标。
主要结果
1. 阳离子功能化的界面效应
MD模拟结果显示，CG修饰的铜表面显著降低了水分子密度，从而抑制了质子迁移。同时，CG层提高了局部CO₂浓度，促进了CO₂吸附和活化。这表明阳离子功能化可以通过调控界面电场和局部pH值来优化CO₂RR条件。
不同阳离子密度的性能比较
在纯0.2 M H₂SO₄电解液中，CG-Medium表现出最佳性能，其C₂+产物（如乙烯）的法拉第效率达到80%，而氢气析出效率低于10%。相比之下，CG-High由于较高的吸水量导致局部pH值降低，从而降低了C₂+选择性。
长期稳定性测试
在碳保护的CG-Medium催化剂上，系统连续运行超过150小时，且乙烯的法拉第效率始终保持在40%以上。此外，通过调节CO₂流速，研究实现了高达90%的SPC。
能量效率与操作条件
在100 mA cm⁻²的电流密度下，系统的全电池电压为3.3 V，对应的C₂+能量效率（EE, Energy Efficiency）达到28%，这是酸性CO₂RR系统中的记录值。
结论与意义
本研究表明，通过阳离子功能化策略可以在酸性环境中实现高效且稳定的CO₂RR。相比传统依赖碱金属阳离子的方法，这种新策略避免了盐结晶问题，显著提高了系统稳定性。此外，该方法还大幅提升了SPC，减少了CO₂损失。研究成果不仅为酸性CO₂RR催化剂的设计提供了新思路，还展示了其在实际应用中的潜力，例如生产高附加值化学品和燃料。
研究亮点
1. 创新性催化剂设计：通过固定化的苯并咪唑鎓阳离子调控界面电场和局部pH值，成功解决了酸性CO₂RR中的选择性与稳定性矛盾。 2. 优异的稳定性表现：碳保护的CG-Medium催化剂在强酸环境下连续运行超过150小时，远超现有技术水平。 3. 高效的能量利用：系统实现了28%的C₂+能量效率，创下了酸性CO₂RR的新纪录。 4. 多尺度研究方法：结合实验、模拟和理论分析，全面揭示了阳离子功能化的作用机制。
其他有价值内容
研究还探讨了阳离子功能化对中间体吸附行为的影响，并提出了通过优化离聚物层的吸水性和质子渗透性来进一步提升性能的潜在方向。此外，研究团队开发的碳保护层不仅增强了催化剂的耐久性，还为未来类似体系的设计提供了参考。