一、研究背景

随着极端天气的频繁发生，人们越来越重视环境保护。严格控制碳排放对于尽快实现碳中和具有重要意义。二氧化碳还原反应（CO2RR）是一种将二氧化碳转化为高附加值化学品的方法，具有无二次污染的可持续能源发展潜力。因此，开发高效的CO2RR电催化剂势在必行，迫切需要。例如，使用单原子催化剂（SACs）、双金属催化剂、金属基、碳基等电催化剂对CO2RR均具有良好的电催化活性。然而，这些催化剂仍然存在许多缺陷，阻碍了催化活性的进一步提高。如催化剂制备时间长，金属利用率低，贵金属添加量高，导致催化剂成本高。此外，在合成和催化过程中，超细纳米颗粒的团聚导致催化性能迅速下降。

铜（Cu）是将CO2还原成各种产物的首选元素，它可以加速相界面上多个电子和质子的转移，并对CO2RR表现出很高的选择性。然而，cu基材料在电催化CO2还原中存在还原过电位高、还原容量低、对特定C2产物选择性差等问题。因此，具有高活性电化学界面的催化剂可以最大限度地发挥金属的协同作用，加速反应中间体的吸附和解吸，从而解决这些问题。迄今为止，研究人员发现Cu和Ce的混合物显著降低了*CO2到*COOH的能垒，这是CO2RR反应中能垒最高的过程，从而提高了CO2RR的活性。这是由于Ce的变价和许多氧空位的存在。同时，学者们探索如何提高Cu-CeO2的活性，加入TiO2可以有效增强对二氧化碳的吸附能力，稳定还原过程的中间产物CO2·-，降低CO还原的过电位。此外，TiO2作为载体材料，其氧化还原偶对Ti3+/Ti4+作用于稳定反应中间体，降低还原CO2的能垒。因此，我们研究了在二氧化钛中加入氧空位可以通过Cu-CeO2与二氧化钛之间的协同作用来调节电子结构并增强电荷转移。

近年来，通过引入氧空位来提高活化能力，以及利用焦耳热来修饰氧空位浓度来增强CO2吸附的研究备受关注。焦耳加热法已经在纳米材料制备领域进行了探索，并已被证明是制造高度分散的纳米催化剂的有效技术。然而，利用自身热电耦合和一步热分解热还原的异质结构催化剂的研究却很少。在焦耳加热过程中，碳布可以作为热载体，通过控制输出功率，可以避免催化剂活性位点的制备。异质结构概念的引入有助于探索增强催化性能的。

本文采用简单的浸渍和焦耳加热设备制备了富含氧空位的JHCu-CeO2/TiO2/CC异质结构电催化剂。基于快速制备工艺，采用碳热还原法设计了提高CO2RR性能的催化剂。JHCu-CeO2/TiO2/CC在−1.0 V（相对于RHE）下的总电流密度为−32 mA·cm−2，在−0.3 V（相对于RHE）下具有较高的一氧化碳选择性和82.5 %的法拉第效率。这项工作调节了氧空位的浓度，降低了过电位，从而获得了最大的FECO。总之，我们对制备方法和机理的探索为新型异质结构电催化剂的复合提供了设计思路，并有望扩展到未来的柔性电极中。

二、摘要

严格控制碳排放对加快实现碳中和至关重要。然而，目前的CO2RR电催化存在许多缺点，阻碍了催化活性的增强。催化剂制备时间长，贵金属含量高等问题。此外，超细纳米颗粒的聚集会导致催化性能的迅速恶化。本文利用焦耳加热的方法在碳布基底上有效地合成了用于CO2电还原的异质结构纳米催化剂。该方法利用碳布的热电耦合实现碳热还原，同时调节相组成和引入氧空位。该方法合成的Cu-CeO2/TiO2/CC催化剂在- 1.0 V（相对于RHE）下，在CO2中的电流密度为- 32 mA·cm - 2。值得注意的是，该催化剂在−0.3 V（相对于RHE）的低电位下表现出高CO选择性和高达82.5 %的法拉第效率（FECO）。在功率为40 W时达到最佳电化学性能。超快的温度变化过程阻止了催化剂颗粒的团聚，有利于构建具有高氧空位浓度的稳定非均相界面。总之，该研究为快速制备低成本、高选择性的非贵金属电催化剂提供了一种很有前途的方法。

三、结论

综上所述，采用焦耳快速加热设备合成了碳布负载的富氧空位异质结构电催化剂Cu-CeO2/TiO2，与传统的煅烧催化剂相比，表现出更好的电催化CO2活性。非贵金属催化剂的使用大大缩短了制备时间。实验结果表明，该催化剂在−1.0 V（相对于RHE）下的电流密度为−32 mA·cm−2，远高于单氧化物或双氧化物催化剂，在−0.3 V（相对于RHE）和40 W焦耳加热功率下的法拉第效率为82.5%。XPS和EPR结果表明，焦耳处理后样品的Ce3+含量增加，Ti 2p和O 1s向较低结合能转移，氧空位浓度增加，电催化活性增强。制备工艺的研究为快速制备二氧化碳还原催化剂提供了新的思路，具有广阔的应用前景。

图1.(a)用于焦耳加热的装置图；(b) Cu-CeO2/TiO2/CC多相催化剂的合成过程。

图2.(a) Cu-CeO2/TiO2的TEM和HRTEM图像(b) (a)中扩大的方形区域，显示出晶格和相应的SAED模式；(c) HAADF-STEM图像和（d-i）相关的EDX映射剖面图和相应的元素映射。