湖南大学JACS：调控界面水吸附构型增强炔醇电催化半加氢性能

云深

2026-04-30

全文概要

湖南大学邹雨芹研究团队报道了一种通过调控电极-电解液界面微环境来增强炔醇电催化半加氢（ECSH）性能的策略。该工作发展了CuBi双金属纳米颗粒（NPs）催化剂，在2-甲基-3-丁炔-2-醇（MBY）半加氢制2-甲基-3-丁烯-2-醇（MBE）反应中，于-0.5 V vs. RHE电位下实现了100%转化率和97.7%选择性。原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）与密度泛函理论（DFT）计算揭示，引入Bi组分调控了界面水吸附构型，抑制了竞争性析氢反应（HER），增强了对反应物MBY的吸附，并促进半加氢产物MBE脱附，从而显著提升了烯醇选择性与产率。

本文要点

1. 合成与结构：制备了具有三维多孔结构的CuBi双金属纳米颗粒，Bi以金属态和氧化态共存形式引入。XPS与XAS表征证实Cu与Bi间存在电子相互作用，电子从Cu转移至Bi，活性相为具有丰富不饱和位点的金属态Cu。

2. 催化性能：CuBi NPs在宽电位窗口（-0.3至-0.7 V vs. RHE）内MBE选择性超过95%，在-0.4 V vs. RHE时MBE产率达96.0%，显著优于纯Cu NPs（54.7%）。在流动电解池中，于100 mA cm⁻²电流密度下MBE法拉第效率和产率分别达到48.3%和0.90 mmol h⁻¹ cm⁻²，并展现出良好的底物普适性和循环稳定性。

3. 机理阐释：原位ATR-FTIR表明CuBi NPs表面以强氢键水为主，抑制了水还原产氢。DFT计算显示CuBi(111)面上*H结合生成H₂的能垒（0.20 eV）高于Cu(111)面（0.09 eV），有效抑制HER。同时，CuBi(111)对MBY吸附更强（-2.13 eV vs. -1.93 eV），且*MBE氢化能垒更高（0.75 eV vs. 0.41 eV）、脱附能垒更低（0.009 eV vs. 0.16 eV），促进了烯醇脱附，防止过氢化。

4. 调控策略：通过引入弱HER活性的Bi组分调节界面水结构，构建适度的*H供给微环境，同时增强炔醇吸附与活化，并拉大烯醇脱附与过氢化的能垒差异，从而实现高选择性半加氢。

文献详情

Mengyu Li, Wei Chen, Chung-Li Dong, Ta Thi Thuy Nga, Leitao Xu, Shengkai Li, Yulu Yang, Shuangyin Wang, and Yuqin Zou. Regulation of the Adsorption Configuration of Interfacial Water to Enhance the Electrocatalytic Semihydrogenation of Alkynols, J. Am. Chem. Soc. (2025) DOI: 10.1021/jacs.5c20263

全文链接

https://doi.org/10.1021/jacs.5c20263