电催化CO2还原反应(eCO2RR)具有环保、能量转换效率高、产物多样化和选择性可控等优点。这些优势使得该技术在解决全球气候变化和能源供应短缺问题方面具有巨大的前景和价值。目前大多数文献所研究的电催化eCO2RR通常在室温下进行。然而，实际的电解槽可能在高温下运行，这就产生了电解液CO2溶解度低的问题。
为解决这一难题，一个有效的策略是建立一个疏水界面，以增强CO2扩散。关于这一点，金纳米簇(NC)可以准确地用疏水配体修饰以创建局部疏水微环境以确保快速的CO2转移，但温度对反应动力学的影响仍然未被研究清楚。
近日，重庆大学唐青、山东理工大学王立开和华南理工大学唐正华等选择经典和研究广泛的由己硫醇配体(-SC6H13)修饰的Au25(SR)18NC (Au25)作为模型电催化剂，并结合第一性原理模拟和电化学实验来探索在三种不同温度(300、330和350 K)的水/Au25界面上的eCO2RR性能。
结果表明，Au25团簇所具有的固-液-气三相界面微环境在电化学反应中起着关键作用。特殊的疏水表面非常有利于CO2气体在电极表面的扩散，即使在相对较高的温度(330 K)。此外，温度对反应界面附近的水层结构产生扰动，从而对质子转移过程产生较大影响。
特别是，理论计算和实验结果表明，330 K下疏水性Au25团簇在宽电位范围内表现出最佳的活性和选择性。如果温度过高(350 K)，会严重破坏水层中的氢键网络，严重降低催化性能，甚至在一定的负电位下失活。
因此，适当的高温不仅对提高催化活性，而且对抑制侧析氢反应(HER)和提高CO产物的选择性至关重要。总的来说，该项工作首次在原子水平上详细阐明了疏水性水/团簇界面的温度诱导电催化反应动力学，为通过控制反应温度来调节界面微环境和优化原子级精密金属纳米团簇的电催化性能开辟了新的途径。
Probing temperature effect on enhanced electrochemical CO2 reduction of hydrophobic Au25(SR)18 nanoclusters. ACS Catalysis, 2025. DOI: 10.1021/acscatal.4c05578