论文赏析‖Nat. Energy | 表面吸附碘离子在强酸中诱导CO₂电催化还原生成多碳产物

发布时间：2026-06-11

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论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41560-025-01924-4
通讯作者：苏州大学功能纳米与软物质研究院-李彦光教授、王璐教授
01、研究亮点
1：首先提出强酸体系中表面吸附碘离子可诱导非常规不对称OC–COOH耦合机理，显著提升CO_₂电还原制C₂+产物性能。电解液引入的碘离子可在CO_₂RR工况下稳定吸附于铜表面，实现乙烯选择性翻倍、过电位降低约300mV，且仅作用于CO_₂RR、对CO电还原无明显影响。
2：本研究完善了酸性CO_₂RR的碳-碳耦合机理认知，提出一种仅通过电解液阴离子简单改性即可重构反应路径的新策略，无需复杂催化剂结构设计。该碘离子调控策略可与合金化、缺陷工程等经典催化剂设计手段结合，为苛刻强酸环境下高效CO_₂RR制多碳产物提供全新思路。
02、测试方法
作者大部分电化学测试使用负载在碳基气体扩散电极（GDE）上的催化剂作为工作电极，Cu–Ag双金属催化剂采用可控置换反应制备。长效稳定性测试采用负载在多孔聚四氟乙烯（PTFE）膜上的催化剂作为工作电极。催化剂负载量约1mg·cm^⁻²，测试在自主搭建的三腔室流动电解池中进行。
作者使用东华分析DH7001电化学工作站进行了CO₂RR以及CORR的相关电化学测试，包括计时电位法（CP），计时电流法（CA），循环伏安法（CV）等。
03、测试结果
在400mA・cm⁻²至1000mA・cm⁻²的电流密度范围内开展计时电位法电解实验，反应产物通过在线气相色谱进行分析测试。
实验发现加入碘离子后，乙烯的选择性显著提升（图1b）。在电流密度800mA・cm⁻²条件下，乙烯选择性可达40.6%，总C₂+产物选择性达到68%。图1c显示在加入碘离子后，曲线整体向正电位方向偏移。在乙烯分电流密度200mA・cm⁻²处，过电位降幅最高可达约300mV，说明其反应路径相较于无碘电解液体系发生了改变。图1d探究了相同条件下催化性能随碘离子浓度的变化规律。随着碘化钾浓度从0M增加至1.5M，在所有施加的电流密度下，乙烯选择性整体均呈上升趋势，且在乙烯选择性提升的同时，CO的法拉第效率随之下降，而氢气析出的法拉第效率基本保持稳定（图1e）。上述结果表明碘离子存在最优浓度区间（0.8–1.5M），可有效促进CO₂电还原生成乙烯及其他多碳产物，同时抑制CO副产物生成。
此外，通过更换电解液证实，碘离子在铜表面的吸附与脱附是一个动态过程（图2）。因此，维持阴极电解液中足够的碘离子浓度，是保证 CO₂RR 稳定高催化性能的关键。研究结果表明利用带正电聚合物可实现碘离子在催化剂表面的稳定锚定，有望不再需要向电解液持续添加碘化钾；不过目前该改性方式的稳定性仅能维持数小时（图3）。为进一步解析碘离子促进乙烯生成的内在机制，在相同流动池装置与反应条件下开展了CO电还原（CORR）实验。以往研究表明，以纯CO为原料进行CORR反应会促进碳-碳耦合过程、加快C₂+产物生成速率。但本研究发现碘离子在CO₂RR中具有显著促进效果，但在CORR中对C₂+产物选择性几乎无影响（图1f）。

图1

碘离子在酸液供给型流通池中对铜催化CO₂RR生成乙烯的促进作用。a 电解液中引入的碘离子对铜的作用示意图 b 不同施加电流密度下乙烯的法拉第效率（FEs），柱状图数值为平均值（n=3次独立重复实验），其余点为原始数据 c 0.1M H2SO4+0.8 MKX（X=F-、Cl-、Br-或I-）或0.1 MH2SO4+0.4M K2SO4体系中，与电势相关的乙烯分电流密度，误差棒代表n=3次重复实验的标准偏差 d、e 热图分别展示乙烯（d）和一氧化碳（CO）的法拉第效率与溶液碘离子浓度及施加电流密度的相关性，图中圆点为构建数据矩阵所用的原始数据点 f 存在或不存在碘离子时，CO2还原反应（CO2RR）和一氧化碳还原反应（CORR）中与电势相关的乙烯分电流密度，误差棒代表n=3次重复实验的标准偏差

图2
a 在电流密度100mA・cm⁻²条件下，Cu-PTFE电极电解液先由0.01mol/L 硫酸+ 0.8mol/L碘化钾更换为0.01mol/L硫酸+0.4mol/L硫酸钾，之后再换回初始的 0.01mol/L硫酸+0.8 mol/L碘化钾，测试过程中工作电位与CO₂电还原气相产物分布的变化 b 在电流密度100mA・cm⁻²条件下，Cu-PTFE电极电解液先由0.01mol/L硫酸+ 0.8mol/L碘化钾更换为0.01mol/L硫酸+0.8mol/L溴化钾，之后再换回初始的0.01mol/L硫酸+0.8mol/L碘化钾，测试过程中工作电位与CO₂电还原气相产物分布的变化

图3
在0.1mol/L硫酸+0.4mol/L硫酸钾电解液中，不同施加电流密度条件下：a Cu-GDE与 b Cu-CS/I的CO₂电还原产物分布及对应工作电位 c 在0.01mol/L硫酸+0.4 mol/L硫酸钾电解液100mA・cm^⁻²电流密度下，Cu-PTFE/Cu-CS/I电极的CO_₂电还原长周期稳定性测试结果

对含碘离子体系中的铜电极进行CV测试，可观测到归属于碘化亚铜/铜的氧化还原特征峰；与其他阴离子体系相比，该氧化还原峰电位发生负向偏移（图4）。这表明碘离子可通过与铜的强相互作用稳定亚铜离子。作者推测有部分碘离子在铜表面还原后，依旧稳定吸附在催化剂表面。为验证这一推测，先将铜催化剂在含碘电解液中，于二氧化碳电还原工况下进行活化预处理；随后在相同测试条件下，将电解液切换为无碘体系，洗去催化剂表面所有非化学吸附的游离碘离子（图5）。之后取出催化剂并立即进行表征测试。通过后续的TEM，XPS等表征结果共同证明，即便在此工况下块状碘化亚铜热力学不稳定，碘离子仍能在二氧化碳电还原反应过程中稳定留存于铜表面。

图4
铜电极在两种电解液中的CV曲线：a 0.1mol/L硫酸+0.4mol/L硫酸钾电解液 b 0.1mol/L硫酸+0.8mol/L碘化钾电解液

在电流密度100mA・cm^⁻²下，将Cu-PTFE电极的电解液0.01mol/L硫酸+0.8mol/L碘化钾切换为0.01mol/L硫酸+0.4 mol/L硫酸钾时，工作电位以及CO_₂电还原气相产物分布的变化情况。

此外，本研究将催化剂置于0.1mol/L硫酸+1.5mol/L碘化铯电解液中进行测试，利用铯离子相较于钾离子在酸性二氧化碳电还原体系中更优异的阳离子界面效应,该优化条件进一步提升了多碳产物的生成性能：多碳产物总法拉第效率可达75.3%，在−1.08V下，多碳产物最大分电流密度达到940mA・cm^⁻²（图6b）。在相近测试条件下，相较于以往经过复杂催化剂及界面精细设计的研究成果，本工作的多碳产物分电流密度提升幅度超过300mA・cm^⁻²（图6c）。

图6

碘离子增强双金属铜银催化剂上二氧化碳电还原生成多碳产物a 碘离子改性铜银催化剂表面OC–COOH耦合反应路径示意图 b CuAg^-3催化剂在0.1mol/L硫酸+1.5mol/L碘化铯电解液中、不同施加电流密度下的产物分布 c 本研究与以往顶级研究成果在多碳产物分电流密度及工作电位方面的性能对比

04、产品推荐
DH7002A电化学工作站

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05、作者简介
李彦光
苏州大学教授、博士生导师
2005年7月获复旦大学化学系学士学位，2010年7月获美国俄亥俄州立大学化学系博士学位；2010年7月至2013年6月在美国斯坦福大学化学系从事博士后研究；2013年9月加入苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）工作至今，现为纳米科学技术学院教授。主要从事电催化、光催化及新型化学电池研究，聚焦无机纳米功能材料的控制制备及其在光-电-化学能转换中的应用。2017-2024年连续入选科睿唯安“全球高被引学者”榜单，获中国化学会青年化学奖、中国电化学青年奖、教育部自然科学奖二等奖、江苏省杰出青年基金、基金委杰出青年基金等荣誉。
王璐
苏州大学教授、博士生导师
2004年7月获得渤海大学理学学士学位，2007年7月获得辽宁大学理学硕士学位，2011年7月获得大连理工大学理学博士学位，2008年10月-2009年10月，以访问学者身份赴美国伦斯勒理工学院（RPI）交流，2011年8月至2013年6月，在香港理工大学从事博士后研究。2013年6月，加入苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）工作。2017年3月至2018年3月赴美国加州理工学院交流访问。主要聚焦于低维纳米结构的全局搜索和高通量计算、新型纳米材料的理性设计和功能预测、光催化反应机理的理论研究、二维纳米材料及其异质结构的理论研究等方向的研究。在J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，ACS Nano，Nanoscale等高水平国际期刊上共发表SCI论文53篇，其中第一/通讯作者论文29篇，包括2篇ESI高被引论文，总他引次数超过1600次。获得教育部高等学校科学研究自然科学奖二等奖。