在“双碳”目标与全球碳减排压力持续加大的背景下，以电能驱动的 CO₂ 资源化转化被视为构建低碳能源与化工体系的重要技术路径。其中，将 CO₂ 高选择性转化为 CO，不仅可显著降低对化石资源的依赖，还可作为合成气（Syngas）关键组分，广泛对接下游化工过程。然而，电催化材料长期面临选择性、活性与稳定性难以兼顾的核心瓶颈。
近期，中南大学与湘潭大学联合团队在该领域取得重要进展，相关成果以
“Tuning the configuration of Ag–Cu aerogels for electrocatalytic applications”
为题，发表于国际权威期刊 Nanoscale（2025）。
该工作提出了一种“界面主导的构型调控”新范式，在常温常压条件下成功构筑出兼具高 CO 选择性与长时稳定性的 Ag–Cu 金属气凝胶电催化剂，为 CO₂ 电还原体系的材料设计与工程放大提供了全新思路。
一、研究背景：CO₂→CO 电催化的关键挑战
在 CO₂ 电还原（CO₂RR）体系中，Ag 与 Cu 是最具代表性的两类金属：
- Ag 对 CO 产物具有天然高选择性
- Cu 具备独特的电子结构与多电子反应潜力
但在室温热力学条件下，Ag 与 Cu 难以形成均匀合金结构，往往演化为核壳或 Janus 型相分离体系，导致界面利用率低、结构稳定性不足。此外，传统金属气凝胶的制备通常依赖复杂干燥工艺与专用设备，限制了其规模化与产业应用。
如何在简单工艺条件下，稳定构筑成分均匀、界面高度可控的 Ag–Cu 三维骨架结构，成为亟待突破的关键科学与工程问题。
二、核心突破：气体微扰动诱导的界面主导构型调控
研究团队提出并验证了一条“气体微扰动 + 非经典晶体生长 + 孪晶界调控”的全新构筑路线。
1. 创新合成策略
在常温常压条件下，通过精确调控：
- 前驱体加入顺序：C（Cu(NO₃)₂）+ B（NaBH₄）+ A（AgNO₃）
- Cu²⁺ 预还原保时：1 min
- Ag/Cu 原子比例
实现了 Ag–Cu 纳米多孔—纳米骨架一体化金属气凝胶的可控构筑。
反应过程中，由 AgNO₃–NaBH₄–H₂O 体系释放的 H₂ 微扰动，诱导颗粒经历非经典晶体生长路径，在取向附着（OA）与 {111} 孪晶界主导下，自组装形成三维连通网络结构，并实现 Ag 与 Cu 的高度均匀分布。
三、结构优势：高密度孪晶界与三维连通骨架
所制备的 Ag–Cu 气凝胶表现出以下显著结构特征：
- 连续三维金属骨架，孔道互联，有利于气体扩散与电解液浸润
- 高比表面积（ECSA） 与低电荷转移阻抗（Rct）
- 高密度 {111} 孪晶界，作为关键反应活性位点
- Ag/Cu 元素沿骨架方向均匀分布，避免相分离导致的性能衰减
这些结构特征为后续电催化性能的全面提升奠定了坚实基础。
四、电催化性能：高选择性 + 高电流密度 + 长时稳定
1. 半电池性能
在 CO₂ 饱和电解质中：
- −0.8 V（vs. RHE）
- CO 法拉第效率 FE(CO) 高达 94.5%
- −1.0 V（vs. RHE）
- CO 部分电流密度 j(CO) ≈ 10 mA·cm⁻²
表现出优异的低过电位高选择性特征。
2. 流动电解槽验证
在更接近实际应用的流动电解槽中：
- 2.7 V 胞电位
- 连续运行 14 h
- FE(CO) ≈ 90%
- j(CO) > 60 mA·cm⁻²
体系运行稳定，无明显性能衰减，充分展示了材料从实验室到器件层面的转化潜力。
五、反应机理：孪晶界主导的 DPET 通道
通过原位 ATR-SEIRAS 技术，研究团队在反应过程中直接观测到：
- ~1400 cm⁻¹ 的 v(O–C–O) 振动峰
该特征峰被明确归因于 CO₂•⁻ 中间体，表明反应主要经由 DPET（解耦质子-电子转移）通道进行。
机理优势体现在：
- 高密度孪晶界稳定 CO₂•⁻ 中间体
- 有效抑制传统 PCET 路径
- 显著降低副反应（HER）发生概率
- 优化 *COOH 生成与 CO 脱附动力学
从结构—界面—反应路径层面，系统阐明了高 CO 选择性的内在来源。
六、研究意义与产业应用前景
该工作首次在 Ag–Cu 热力学不相容体系中，实现了：
- 成分均匀的金属气凝胶构筑
- 界面可设计的孪晶界调控
- 高选择性与长稳态电催化输出
潜在应用方向包括：
- CO₂ → CO 低温电化学转化阴极
- 气体扩散电极（GDE）与流动电解槽
- 合成气模块化电化学制备
- 可再生能源耦合的碳循环系统
该成果为 CO₂ 资源化利用、电化学合成气制备以及低温绿色化工过程提供了具有放大潜力的材料与技术路径。
七、结语
通过提出 “气体微扰动辅助非经典生长 + 孪晶界激活 DPET” 的界面工程范式，该研究在材料设计、机理认知与器件验证层面实现了系统突破。
这一成果不仅为金属气凝胶的可控构筑提供了新方法，也为 CO₂ 电还原催化剂的高选择性、长寿命与工程化应用奠定了重要基础，展现出广阔的产业转化前景。
论文信息
期刊：Nanoscale
发表时间：2025-11-21
DOI：10.1039/d5nr02475g
通讯作者：Jian Shen；Miao Song；Kechao Zhou
研究单位：中南大学、湘潭大学环境与资源学院
