Microenvironment Matters: Copper-Carbon Composites Enable Highly Efficient Carbon Dioxide Reduction Reaction to C2 Products
Yu-Jhih Shen, Yung-Hsi Hsu, Yu-Chia Chang, Jian-Jie Ma, Kang-Shun Peng, Ying-Rui Lu,
Shao-Hui Hsu, Sung-Fu Hung
ACS Appl. Mater. Interfaces. 2025, 17, 6, 9378-9390
國立陽明交通大學 應用化學系 洪崧富助理教授
近年來，為減緩全球暖化的持續加劇，淨零碳排已經成為全球共同追求的目標。其中，電催化二氧化碳還原反應 (CO₂RR) 能將二氧化碳選擇性地轉化為高能量密度且高工業價值的碳氫化合物，為實現碳中和，提供一項極有潛力的負碳技術。有機金屬框架 (metal-organic framework, MOF) 因具備高孔隙率、高比表面積，有助於反應物的吸附與傳輸，且其中的金屬單元呈現週期性的排列，有效使金屬活性位點均勻分散，因此在電催化反應中備受關注。本研究利用有機金屬框架作為前驅物，設計一種新穎的高效能銅‑碳複合催化劑 (Cu-Carbon-600C)。實驗透過標準金屬銅、有機金屬框架以及銅‑碳複合催化劑研究 銅-銅、銅-氧、銅-碳介面對電催化活性的影響。結果顯示，碳材料能有效調控金屬銅的電子結構，並且銅‑碳複合催化劑表現最低的整體電阻值 (overall resistance) 與最高的電荷傳輸效率 (charge transfer capabilities) 使電催化效率優化。臨場拉曼光譜 (in-situ Raman) 指出，銅-碳介面能有效穩定二氧化碳還原反應的二碳中間體，解釋了微環境對提升二碳產物 (乙醇、乙烯) 選擇性的影響。最終實現在電流密度 500 mAcm-2 下 70.7 % 的二碳產物法拉第效率 (C2 Faradaic efficiency ) 大幅的提升催化電流密度與產物選擇性。本研究討論活性金屬催化環境對催化活性的影響，為二氧化碳還原與減碳產業的推動提供重要的進展。