1. 背景
利用可再生电力驱动 CO2 电还原反应（CO2RR）制备乙烯等多碳产物，是实现碳资源循环和高附加值化学品合成的重要路径。铜基催化剂因能适度吸附 *CO 并促进 C-C 偶联，被认为是生成 C2+ 产物的核心体系；但在强还原和高电流密度条件下，真正有利于 C-C 偶联的 Cuδ+、Cu+/Cu0 界面容易被过度还原，导致乙烯选择性和稳定性受限。因此，如何在反应过程中稳定电子缺陷型铜位点，并同时优化 CO2 活化、*CO 覆盖与偶联动力学，是该领域的关键科学问题。
2. 论文概要
本研究中，山东理工大学司维蒙团队提出“Ce 掺杂 + 瞬态焦耳热”的界面工程策略，构筑富含 Cu-CeO2 接触界面的 Cu-CeO2 纳米片催化剂。CeO2 的 Ce3+/Ce4+ 可逆氧化还原特性和氧空位有助于调控相邻 Cu 位点电子结构，焦耳热的快速升温和淬冷则促成多价铜物种与缺陷界面的形成。优化样品 Cu-CeO2-3 % 在 CO2 饱和 0.5 mol/L KHCO3 中，于 -1.3 V vs. RHE 实现 47.9 % 的乙烯法拉第效率，并在 12 h 电解后仍保持约 47.3 %。原位 ATR-SEIRAS 与 DFT 共同表明，Cu2O-CeO2 界面显著降低关键中间体转化能垒，将相关限速步骤能垒由 Cu2O 表面的 2.15 eV 降至 0.54 eV，从而推动 CO2 深度还原为 C2H4。
3. 图文解读
通过水热 Ce 掺杂和焦耳热处理构筑 Cu-CeO2 界面，在 CO2RR 条件下锁定稳定 Cuδ+ 活性位点，降低 *COCO 等关键 C-C 偶联相关中间体的形成能垒，最终提升 CO2 到乙烯的效率和稳定性。
图 1 | 形貌、晶面与元素分布
SEM/TEM 显示，1200 ℃ 焦耳热处理后样品仍保持片状/块状骨架，并形成细小颗粒与丰富界面；HRTEM 同时观察到 Cu2O、CuO、Cu 和 CeO2 晶面，说明体系具有混合价态与多相接触特征。EDS 映射进一步证明 Ce 物种在 Cu 基体中较均匀分布，为 Cu-CeO2 界面协同和电子转移提供结构基础。
图 2 | 表面价态、晶相与缺陷证据
XPS 证明 Cu-CeO2-3 % 表面存在 Cu+/Cu0、Cu2+ 以及 Ce3+/Ce4+，O 1s 谱中氧空位信号清晰，表明 CeO2 能调节 Cu 位点电子结构并稳定缺陷环境。XRD 和 Raman 进一步确认 CeO2、Cu2O、CuO、Cu 等物相共存，其中 3 % Ce 样品出现与高分散 CeO2 和氧空位相关的 Raman 位移，被作者视为构建最优 Cuδ+-Ce3+/4+ 协同结构的关键。
图 3 | CO2RR 性能与稳定性
产物分布显示，Ce 含量对乙烯选择性呈火山型影响，Cu-CeO2-3 % 在 -1.3 V vs. RHE 达到最高 FE(C2H4) 47.9 %，优于 1 %、5 % Ce 样品和未掺 Ce 的 CuO 参照。12 h 稳定性测试中电流密度维持在约 -37 mA/cm2，乙烯法拉第效率基本保持；LSV、EIS 和双电层电容结果则表明该样品兼具更高反应电流、更优电荷传输和更大的电化学活性面积。
图 4 | 原位光谱与理论机制
原位 ATR-SEIRAS 捕捉到 *COOH、*CO、*OCCO 和 *OCCOH 等关键中间体信号，其中 Cu-CeO2 催化剂更有利于 *OCCO 的生成和稳定，支持“*CO 覆盖提升- C-C 偶联增强-乙烯生成”的路径。DFT 计算进一步指出，Cu2O-CeO2 界面使 *COOH 到 *CO 的能垒降至 0.54 eV，并整体降低 C2H4 形成路径上中间体自由能，这是其高乙烯选择性的直接机制证据。
4. 总结展望
总体来看，这项研究的价值在于把瞬态焦耳热的非平衡结构调控能力与 CeO2 的变价/缺陷化学结合起来，为稳定 Cuδ+ 和构筑 Cu+/Cu0-CeO2 活性界面提供了清晰范式。其机制链条较完整：结构表征证明界面与混合价态，电化学数据证明乙烯选择性提升，原位红外和 DFT 解释关键中间体与能垒变化。后续若要走向更接近应用的 CO2 电解体系，还需在流动电解槽、高电流密度、长时稳定性、碳利用效率和复杂气源耐受性上继续验证；但从催化剂设计角度看，稀土氧化物调控铜基界面的思路有望扩展到更多 C2+ 产物选择性调控场景。
参考论文：Ying Su, Bo Sun, Chunhua Yu, Tong Guo, Yunhao Feng, Jun Cao, Qiaoling Li, Weimeng Si. Joule heating-engineered Cu-CeO2 interfaces with stabilized Cuδ+ for efficient electroreduction of CO2 to C2H4,Chinese Chemical Letters,2026,113072,ISSN 1001-8417,https://doi.org/10.1016/j.cclet.2026.113072.
