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胺类化合物作为一种多用途的基础化学品，已被广泛用作医药和精细化学品工业合成的关键原料。最近，以水为氢源并在室温下电催化腈加氢制备胺引起了人们的极大兴趣，因为它避免了使用易燃易爆的氢气，并由可再生电力驱动，以进一步降低生产胺的成本。催化剂作为电催化过程中的关键组分，从根本上决定着胺的生产效率和选择性。目前，人们发现铜基催化剂在碱性或中性条件下对乙腈(AN)电催化加氢生成乙胺(EA)具有活性。
但是，在高电流密度下，它们的能量效率和法拉第效率仍然不能满足工业生产的需求，并且其催化机理仍然不够清晰，特别是关于局部精细结构和催化选择性之间的相关性。由于AN加氢过程涉及复杂的C≡N键吸附和活化过程、质子偶联电子转移和C-N键解吸过程，因此调制催化剂的局部配位和电子结构对于提高催化剂的催化性能至关重要。
基于此，
中国科学技术大学王功名
课题组采用简单的电化学还原方法合成了铜的氧化物衍生的含铜纳米线催化剂(OD-Cu NWs)，并用于电化学乙腈加氢反应。实验结果表明，所制备的OD-Cu NWs催化剂在−0.32 V
RHE
时的EA法拉第效率(FE
EA
)达到最大值，约为97.8%；并且FE
EA
在−0.44 V
RHE
，电流密度大于1.0 A cm
-2
时为91%。
此外，在AEM-MEA中和1.6 A大电流下，该催化剂能够在16小时内提供稳定的电压输入和FE
EA
，并且反应后催化剂的形貌未发生明显变化，表明OD-Cu NWs具有优异的结构稳定性。
原位表征和理论计算表明，电化学还原后的OD-Cu NWs的晶格内保留有残余氧，并且以Cu
4
-O的形式存在，从而改变了Cu的电子结构和配位结构；并且，OD-Cu NW中残余氧的存在诱导了约束电子效应，有效地减弱了EA在催化剂表面的吸附作用，使得EA产物选择性形成。因此，晶格残余氧诱导的局域表面电子分布是降低铜金属表面EA结合能和提升催化活性的关键。
综上，该项工作详细阐述了改善催化性能的调制原理，为有机小分子催化电催化剂的设计提供了理论基础。
Lattice Oxygen-mediated Electron Tuning Promotes Electrochemical Hydrogenation of Acetonitrile on Copper Catalysts. Nature Communications, 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39558-3
