摘要
二氧化碳电还原有助于燃料和化学品的可持续合成1．尽管Cu能使CO产生2-多碳产物(C2 +)转换，在操作条件下的活性场地的性质仍然难以捉摸2．重要的是，确定高性能铜纳米催化剂的活性位点需要纳米级的时间分辨操作技术3.，4，5．在这里，我们对铜纳米催化剂生命周期中的结构动力学进行了全面的研究。在电解过程中，7 nm的Cu纳米粒子团簇演化为金属Cu纳米颗粒，然后完全氧化为单晶Cu2O纳米立方后电解空气暴露。Operando分析和四维电化学液体细胞扫描透射电镜显示CO下存在金属Cu纳米颗粒2还原条件。相关的高能分辨率时间分辨x射线能谱表明，富含纳米晶界的金属Cu支持碳碳耦合的欠配位活性位点。定量的构效相关性表明，金属Cu纳米颗粒分数越高，碳含量越高2 +选择性。7纳米的铜纳米粒子系综，与一个单位的活性铜纳米颗粒分数，显示6倍高的C2 +与活性铜纳米颗粒的三分之一相比，18 nm的选择性。多模态operando技术的相关性为我们在电化学条件下对纳米催化剂复杂结构演化的基本理解提供了一个强大的平台。
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确认
这项工作由美国能源部科学办公室主任、基础能源科学办公室、化学科学、地球科学和生物科学部门提供支持，合同编号为DE-AC02-05CH11231和FWP CH030201(催化研究计划)。康奈尔大学的工作(特别是operando EC-STEM)得到了美国能源部支持的能源前沿研究中心项目——碱基能源解决方案中心的支持。DE-SC0019445。这项工作利用了CCMR的TEM设施，这些设施得到了国家科学基金会材料研究科学与工程中心(NSF MRSEC)项目(no. 1)的支持。dmr - 1719875)。这项工作还使用了分子铸造厂的TEM设备，由美国能源部基础能源科学办公室科学办公室支持，合同编号为。DE-AC02-05CH11231。这项研究使用了先进光源的资源，这是美国能源部科学用户设施办公室的合同编号。DE-AC02-05CH11231。这项工作是基于高能x射线科学中心(CHEXS)进行的研究，该中心由美国国家科学基金会根据DMR-1829070资助。 We thank J. Grazul and M. Thomas at Cornell for TEM technical support, and R. Dhall and K. Bustillo at NCEM. We thank H. Celik and UC Berkeley’s NMR facility at the College of Chemistry (CoC-NMR) for spectroscopic assistance. Instruments in the CoC-NMR are supported in part by NIH S10OD024998. We thank Y. Li for the initial discussion on in situ TEM. We thank R. Page and S. McFall for X-ray cell fabrication at the machine shop of Cornell LASSP. Y.Y. acknowledges support from the Miller Research Fellowship. S.Y. acknowledges support from the Samsung Scholarship. J.J. and C.C. acknowledge support from the Suzhou Industrial Park Scholarship.
作者信息
作者及隶属关系
贡献
Y.Y.， S.L.和S.Y.在P.Y.和h.d.a的指导下设计了该项目。Y.Y.进行了原子尺度的STEM-EELS和operando EC-STEM测量。Y.Y.在y.t.s.的帮助下，在D.A.M. S.L.和I.R.的指导下，进行了4D-STEM操作，合成了Cu纳米催化剂并进行了CO2在M.V.F.G.和j.f.s.y.的帮助下进行了x射线衍射分析和h细胞测量。I.R.进行了GDE测量。Y.Y.在s.l.、S.Y.和x.h.c.j.p.的帮助下进行了operando HERFD- xas研究，并为operando HERFD设置提供了慷慨的支持。Y.Y.在c.w.的指导下，在J.J.和C.C. H.W.的帮助下，进行了operando RSoXS研究，Y.Y.进行了operando dem测量。J.J.和C.C.准备了方案。y.y.， S.L.和S.Y.在P.Y.的监督下撰写了手稿，所有作者修改并批准了手稿。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢高敦峰(Dunfeng Gao)和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
图1 Cu NP系综物家族(7,10,18 nm)的原子尺度微观结构和化学成分。
（一个- - - - - -b新鲜7 nm NPs的HAADF-STEM图像和EELS复合图，这些NPs具有金属Cu核(红色)和~2 nm氧化壳(绿色)，被氧化为Cu2O短暂空气暴露后的NPs(补充图。3.)．（c) 10 nm的STEM图像Cu@Cu2多畴Cu核靠近[110]区轴的O NPs2具有Cu特征d间距的O壳2O{111} (2.5 Å)。（d) 10 nm的STEM-EELS复合图Cu@Cu2O NPs具有~ 2nm的氧化壳。（e- - - - - -f) 18 nm的STEM图像Cu@Cu2O NPs和EELS复合图显示~ 2nm氧化壳。
权利和权限
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关于本文
引用本文
杨，杨，路易斯，S，余，S。et al。Operando研究表明，铜纳米颗粒对CO具有活性2电解还原。自然614， 262-269(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05540-0
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