自1970年代以来，科学家们已经知道铜具有将二氧化碳转化为有价值的化学品和燃料的特殊能力。但多年来，科学家们一直在努力理解这种常见的金属如何作为电催化剂工作，这是一种利用电子能量将分子化学转化为不同产物的机制。

(资料图片)

现在，由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)领导的一个研究小组通过捕获铜纳米颗粒(以十亿分之一米的规模设计的铜颗粒)的实时电影获得了新的见解，因为它们转换了一氧化碳。2以及将水转化为可再生燃料和化学品：乙烯、乙醇和丙醇等。这项工作上周在《自然》杂志上进行了报道。

“这非常令人兴奋。经过几十年的工作，我们终于能够以不可否认的证据展示铜电催化剂如何在一氧化碳中表现出色。2减少，“领导这项研究的伯克利实验室材料科学和化学科学部门的高级教师杨佩东说。杨还是加州大学伯克利分校化学和材料科学与工程教授。

“了解铜如何成为如此出色的电催化剂使我们更接近转化一氧化碳2通过人工光合作用转化为新的可再生太阳能燃料。

通过将一种称为operando 4D电化学液细胞STEM(扫描透射电子显微镜)的新成像技术与软X射线探针相结合，可以研究相同的样品环境：液体中的铜纳米颗粒。第一作者，加州大学伯克利分校米勒分校博士后研究员姚阳，在康奈尔大学攻读化学博士学位时，在杨培东的指导下构思了开创性的方法。

研究人工光合作用材料和反应的科学家希望将电子探针的力量与X射线相结合，但这两种技术通常不能由同一台仪器执行。

电子显微镜(如STEM或TEM)使用电子束，擅长表征材料各部分的原子结构。近年来，4D STEM(或“使用扫描透射电子显微镜的2D衍射图案的2D光栅”)仪器，例如伯克利实验室分子铸造厂的仪器，进一步推动了电子显微镜的界限，使科学家能够绘制出各种材料中的原子或分子区域，从坚硬的金属玻璃到柔软的柔性薄膜。

另一方面，软(或低能量)X射线可用于在操作或现实世界环境中实时识别和跟踪化学反应。

但是现在，科学家可以两全其美。新技术的核心是具有非凡多功能性的电化学“液体电池”样品架。该设备比人类头发细一千倍，与STEM和X射线仪器兼容。

电化学液体池的超薄设计允许对精密样品进行可靠的成像，同时保护它们免受电子束损坏。由共同作者，伯克利实验室先进光源的科学家Cheng Wang定制设计的特殊电极使该团队能够对电化学液体电池进行X射线实验。将两者结合起来，研究人员可以在实时和纳米尺度上全面表征电化学反应。

变得细化

在4D-STEM实验中，Yao Yang和团队使用新的电化学液体电池观察铜纳米颗粒(尺寸范围从7纳米到18纳米)在CO期间演变成活性纳米颗粒。2电解——一种使用电力驱动电催化剂表面反应的过程。

实验揭示了一个惊喜：铜纳米颗粒在电化学反应的几秒钟内结合成更大的金属铜“纳米颗粒”。

为了了解更多信息，该团队求助于Wang，他于10多年前在Advanced Light Source开创了一种称为“用于软材料的共振软X射线散射(RSoXS)”的技术。

在Wang的帮助下，研究小组使用相同的电化学液体电池，但这次是在RSoXS实验期间，以确定铜纳米晶粒是否促进CO2减少。软X射线是研究铜电催化剂在一氧化碳过程中如何演变的理想选择2“王祁解释道。通过使用RSoXS，研究人员可以实时监测数千个纳米颗粒之间的多个反应，并准确识别化学反应物和产物。

先进光源的RSoXS实验 - 以及在康奈尔高能同步加速器源(CHESS)收集的其他证据 - 证明金属铜纳米晶粒是CO的活性位点。2减少。(金属铜，也称为铜(0)，是元素铜的一种形式。

在一氧化碳期间2电解，铜纳米颗粒在称为“电化学加扰”的过程中改变其结构。铜纳米颗粒的氧化物表面层降解，在铜表面为CO2分子要附着，杨培东解释道。并作为一氧化碳2“对接”或结合到铜纳米晶表面，然后将电子转移到CO2，引起同时产生乙烯、乙醇和丙醇以及其他多碳产物的反应。

“铜纳米晶粒基本上变成了小型化学制造工厂，”姚阳说。

在分子铸造厂，先进光源和国际象棋的进一步实验表明，尺寸很重要。所有7纳米铜纳米粒子均参与CO.2减少，而较大的纳米颗粒则没有。此外，研究小组了解到，只有金属铜才能有效降低一氧化碳。2转化为多碳产品。这些发现对“合理设计有效的一氧化碳2电催化剂，“杨培东说。

这项新研究还验证了杨培东2017年的发现：7纳米大小的铜纳米颗粒需要低能量输入来启动一氧化碳。2减少。作为电催化剂，7纳米铜纳米颗粒需要创纪录的低驱动力，比典型的体铜电催化剂低约300毫伏。从一氧化碳生产多碳产品的最佳性能催化剂2通常在 1 伏的高驱动力下工作。

铜纳米晶粒有可能提高一些专为人工光合作用设计的催化剂的能源效率和生产率，这是一个旨在从阳光、水和一氧化碳中生产太阳能燃料的研究领域。2.目前，能源部资助的液体阳光联盟(LiSA)的研究人员计划在未来太阳能燃料设备的设计中使用铜纳米晶粒催化剂。

“该技术记录化学过程实时电影的能力为研究许多其他电化学能量转换过程提供了令人兴奋的机会。这是一个巨大的突破，如果没有姚明和他的开创性工作，这是不可能的，“杨培东说。

标签： 一氧化碳 电子显微镜 研究人员 光合作用