将高温/高压条件下的氢化反应转换为环境条件下的电化学氢化反应可以极大地减少化学工业的碳足迹。众所周知，铜催化剂通过电催化腈类加氢对伯胺具有选择性。然而，在高电流密度下，它们的能量效率和法拉第效率仍无法满足工业需求。此外，潜在的催化机制仍然没有得到充足理解，特别是局部精细结构和催化选择性之间的相关性。考虑到乙腈电化学氢化的复杂性（包括，腈CN键的吸附和活化、质子耦合-电子转移和乙胺C-N键的解吸等过程），操纵催化剂的局部配位结构和电子结构对于实现更好的催化性能至关重要。鉴于铜金属的金属键特性使得大量自由电子充斥在催化表面，进而导致与胺的电子耦合过强，严重阻碍了催化动力学的发展。基于此可预测铜表面和胺之间的电子转移可通过操纵铜原子的电子定域能力来改善，进而削弱了胺与铜表面的结合强度。为此，利用原位表征技术检测乙腈转化过程中产生的中间体类型及吸附强度，对研究催化剂局部精细结构与其性能的构-效关系以及设计高性能催化剂具有重要意义。
中国科学技术大学王功名教授课题组依托合肥光源红外谱学与显微成像线站发展的原位傅里叶变换红外光谱技术（SR-FTIR），在电催化腈类转化方面取得新进展。我们通过简单的电化学还原策略合成了具有氧残留的铜纳米线催化剂（OD-Cu NWs）用于乙腈电化学氢化来证明这一从未报道的概念。有趣的是，所制备的OD-Cu NWs在-0.32 V（相对于RHE）时表现出最大的乙胺法拉第效率，约为97.8%。即使在超过1.0 A cm-2大电流密度条件下，仍表现出前所未有的法拉第效率，这表明其卓越的催化活性和选择性。同时，通过结合原位傅里叶变换红外光谱（SR-FTIR）检测和IR光谱模拟，发现OD-Cu NWs由于乙胺吸附作用减弱，有利于乙胺的解吸，势能决定步由Cu NWs上乙胺的解吸转换为中间物种CH3CHNH中间体加氢的质子耦合电子转移过程。这一结果验证了OD-Cu NWs中存在的Cu4-O在电催化乙腈转化为乙胺过程中的关键作用。
图1. a-d不同电位下Cu NWs（a）和OD-Cu NWs（c）的原位SR-FTIR，以及Cu(111)（b）和B-OD-Cu(111)（d）上乙腈电还原所涉及中间物种的红外光谱模拟。
相关研究成果以“Lattice oxygen mediated electron tuning promotes electrochemical hydrogenation of acetonitrile on copper catalysts”发表在国际著名学术期刊《Nature Communications》上。论文第一作者为魏聪，方延延。通讯作者为王功名教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会和中科院合肥大科学中心协同创新培育基金的资助。