南京航空航天大学宋虎成/南京大学徐骏团队Small：废塑料秒变限域碳，酸性CO₂制乙烯FE达70％，总C₂ FE超80％

【用户成果】南京航空航天大学宋虎成/南京大学徐骏团队Small：废塑料秒变限域碳，酸性CO₂制乙烯FE达70％，总C₂ FE超80％

DOI:10.1002/smll.75768

全文速览

该研究针对强酸性CO₂电还原中铜基催化剂易被酸腐蚀、析氢反应（HER）竞争激烈的核心痛点，提出以闪蒸焦耳热（FJH）将废聚丙烯塑料快速热解为富含纳米限域通道的石墨化碳，覆盖于铜催化剂表面构建"物理防护+微环境调控"双功能界面，在pH 1强酸电解液中实现400 mA·cm⁻²下约70%的乙烯（C₂H₄）法拉第效率，并在200–700 mA·cm⁻²宽电流窗口内维持C₂产物总法拉第效率超过80%，同时打通了废塑料高值化与CO₂资源化的可持续路径。

背景介绍

电催化CO₂还原制乙烯（C₂H₄）是碳利用的重要方向。碱性/中性电解液中，CO₂易与OH⁻反应生成碳酸盐，导致碳损失和分离能耗。酸性CO₂RR可从根本上避免碳酸盐形成，但高浓度H⁺强烈促进HER，且酸性环境加速Cu腐蚀，使高效稳定产乙烯极具挑战。纳米限域可富集CO₂和中间体、调控离子分布，但碳材料多被当作惰性载体，未充分发挥其界面调控功能。本文利用FJH将废PP转化为富含缺陷的限域碳，作为Cu的界面修饰层，实现酸性条件下高效C₂H₄电合成。

本文亮点

（1）废塑料升级新策略：快速焦耳热将废弃聚丙烯转化为富含纳米限域通道的石墨化碳，实现废塑料高值化利用；

（2）限域界面双重功能：纳米碳通道既物理保护Cu免受酸腐蚀，又调控微环境——富集K⁺和CO₂、排斥H₃O⁺，建立局部高pH；

（3）YY酸性CO₂RR性能：pH 1下C₂H₄法拉第效率达70%（400 mA cm⁻²），总C₂ FE>80%（200–700 mA cm⁻²），稳定运行12 h以上；

（4）机理清晰：MD模拟与原位光谱证实限域通道降低CO₂和H₃O⁺扩散、增强CO₂-Cu相互作用，促进CO和OCO中间体积累与C–C偶联。

图文解析

图1：纳米限域碳的制备与结构表征

FJH过程中PP快速裂解、气体释放驱动碳骨架膨胀重构，形成多层球形限域碳（图1c）。N₂吸附表明其比表面积（25.09 m²/g）远低于XC72，但平均孔径更大（11.30 nm），证实存在介孔和限域通道。

图2：限域碳与商业炭黑的结构对比

限域碳晶格间距0.326 nm（接近石墨(002)），通道宽度0.6–1.0 nm；拉曼I_D/I_G最低、I_2D/I_G最高，表明石墨化程度更高。EPR显示g=2.0104，XPS检出含氧官能团，XRD显示(002)峰，证实其兼具局部石墨化与丰富缺陷。

图3：受限碳/Cu的酸性CO₂RR性能

受限碳/Cu在CO₂中电流密度最高（-250 mA cm⁻² @ -2.5 V）。C₂H₄ FE在400 mA cm⁻²达70%，并显著抑制HER。Nafion含量8%时性能ZY，限域碳与Nafion协同优化界面微环境。

图4：酸性CO₂RR性能评估与文献对比

酸性条件下受限碳/Cu的C₂H₄ FE最高（70%），远优于纯Cu（~40%）。K⁺存在对C₂H₄生成至关重要，无K⁺时FE骤降至30%。总C₂ FE在200–700 mA cm⁻²保持>80%。低CO₂流速下SPCE达34%。稳定性测试12 h后因水淹性能下降，重新组装可恢复。雷达图显示综合性能优于文献。

图5：限域界面的分子动力学模拟与原位光谱

MD模拟表明限域通道使CO₂扩散系数降低32%、H₃O⁺扩散也降低，而K⁺扩散略增，CO₂-Cu相互作用更强，界面富集CO₂和K⁺、排斥H₃O⁺，形成局部高pH。原位拉曼和FTIR检测到CO、OCO、COOH等中间体随电位负移而积累，证实限域界面促进C–C偶联。

总结与展望

本研究利用快速焦耳热将废弃聚丙烯转化为具有纳米限域通道的石墨化碳，作为Cu催化剂的界面修饰层，成功实现了强酸性条件下高效CO₂-to-C₂H₄电还原。限域碳层同时提供物理保护和微环境调控：富集K⁺和CO₂、排斥H₃O⁺、建立局部高pH，从而抑制HER并促进C–C偶联。ZY催化剂在pH=1下C₂H₄法拉第效率达70%，总C₂ FE>80%，稳定性超12 h。该工作不仅为酸性CO₂RR提供了有效的界面工程策略，也为废塑料升级为功能碳材料开辟了新途径。

本文使用的焦耳热设备由合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持和认可！

通讯作者简介

宋虎成，南京航空航天大学，物理学院，研究员/博导。2016年6月，于南京大学电子科学与技术专业获得工学博士学位，2016年8月，获得首届“国家博士后创新人才支持计划”于南京大学材料科学与工程专业从事博士后研究工作。2018年9月至2023年2月，南京大学电子科学与工程学院特任副研究员。期间于2018年11月，获得南京大学ZY计划的支持，前往加拿大多伦多大学电子与计算机工程系进行博士后工作。2023年04月，入职南京航空航天大学。近十余年来，主要从事太阳能换能储能材料器件与安全高比能全固态电池的研究工作，在该领域发表SCI论文30余篇，申请和授权国家发明专利5项。主持/获得包括国家自然科学基金、国家博士后创新人才支持计划、江苏省科研基金、南京大学ZY计划、企业横向课题等在内的科研项目/资助等14项。担任第29届非晶纳米晶半导体国际会议组委会秘书，担任《eScience》、《Rare Metals》等期刊的青年编委，Advanced Materials等30余个期刊的审稿人。

徐骏，南京大学电子科学与工程学院电子工程系教授、博士生导师。1995年毕业于南京大学，获博士学位。曾在日本广岛大学、香港中文大学等访问研究。2004年获得国家JC青年基金，2009年入选JYB长江奖励计划特聘教授，并先后两次入选江苏省“333”工程中青年科技领军人才。主持和承担了包括“973项目”子课题在内的多项国家及省部级科研项目。主要从事纳米与非晶半导体材料与器件物理的研究。作为第二完成人参加的“有序可控硅基量子结构的构筑原理与光电子特性”项目获得了2003年度国家自然科学二等奖，在国内外学术杂志共发表SCI论文150余篇，担任多个国际学术会议组织工作，在国际国内学术会议上做邀请报告20余次。

原创作者：合肥原位科技有限公司