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图 CuPd金属间化合物电催化一氧化碳还原为乙酸的示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：22025502、21688102、21975051）等资助下，复旦大学郑耿锋教授团队与徐昕教授团队合作在电催化一氧化碳还原制备乙酸研究方面取得进展。相关成果以“有序铜钯位点调控中间体吸附促进一氧化碳高选择电还原为乙酸（Selective CO-to-acetate electroreduction via intermediate adsorption tuning on ordered Cu–Pd sites）”为题，于2022年3月28日在《自然·催化》（Nature Catalysis）上发表。论文链接为：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00757-8。
乙酸是多种聚合物、食品和药品生产中常用的化工原料。近年来，电化学一氧化碳还原反应（CORR）成为制备乙酸的一种极具潜力的途径。然而，目前电化学CORR制备乙酸的分电流密度仍低于200 mA·cm-2，限制了电化学CORR制备乙酸的进一步发展与应用。因此，设计与合成高效CORR反应电催化剂以实现高选择性、高电流密度、高稳定性的乙酸制备具有重要的基础研究价值与应用前景。
针对上述问题，研究团队开发了一种具有铜-钯原子间隔有序排列的金属间化合物CuPd，高密度、高有序度的Cu-Pd原子对有效提高了催化剂表面一氧化碳中间体的吸附覆盖度，稳定了乙酸反应路径中的关键中间体——乙烯酮，并有效抑制了析氢反应的发生，从而促进乙酸的生成（图）。结合密度泛函理论计算、簇展开方法及动力学蒙特卡洛模拟等结果，团队发现无论是在合金的体相还是表面，具有有序交替排列的Cu-Pd原子对都是最稳定的结构，即使在高CO中间体的吸附覆盖度下，最稳定表面也未发生偏析。
研究团队使用该CuPd催化剂在流动电解池中进行了CORR测试，实现了~70%的乙酸法拉第效率以及425 mA·cm-2的乙酸分电流密度，乙酸的生成速率可达到1.1 μmol·s-1·cm-2，相比之前报道的最佳活性提高了2倍以上。在膜电极组装电解池中，使用该CuPd催化剂，以500 mA·cm-2的总电流密度连续进行了500小时的CO电还原反应，乙酸的法拉第效率维持在~50%。反应后的结构表征表明，该CuPd催化剂仍保持了Cu和Pd原子高度有序交错排列的结构，具有优异的结构稳定性。