近日，中國科技大學合肥微尺度物質科學國家實驗室謝毅教授和孫永福特任教授課題組在雜化二維超薄結構的合成及應用領域取得重要進展。該課題組設計了一種雜化模型體系用來研究金屬表面氧化物對其自身金屬電催化性能的影響，該結果以“Partially oxidized atomic cobalt layers for carbon dioxide electroreduction to liquid fuel” 為題發表在Nature上(2016, 529, 68-72, DOI 10.1038/nature16455)。
通過電催化過程將CO2還原成碳氫燃料分子不僅有助于降低CO2的負面影響，而且還可以獲得甲烷、甲酸、甲醇等燃料。然而，電還原CO2過程的一個瓶頸是如何將高穩定性的CO2活化，這往往需要非常高的過電位;而過電位的存在不僅浪費大量的能源，還往往導致還原產物選擇性的降低。
已有報道顯示金屬電極通常具有較高的電還原CO2活性，尤為有趣的是通過金屬氧化物還原得到的金屬比通過其它方法制備的金屬催化活性要高，甚至能將CO2的還原電位降低到熱力學的最小值。但是金屬表面氧化物對其自身金屬電還原性能的影響機制還不清楚，這主要是因為以前制備的催化劑中含有大量的微結構如界面、缺陷等，這些微結構的存在很容易掩蓋住表面金屬氧化物對其自身金屬催化性能的影響。
為了揭示金屬表面氧化物對其自身金屬電還原CO2性能的影響，謝毅教授、孫永福特任教授課題組構建了一種雜化模型材料體系, 即數原子層厚的金屬/金屬氧化物雜化超薄結構。以六方相Co為例，他們通過配體局限生長的方法制備了4原子層厚的Co/Co氧化物雜化結構。電化學比表面積矯正的Tafel斜率和法拉第轉換效率結果揭示出局限在超薄結構中的表面Co原子比塊材中的表面Co原子在低的過電位下具有更高的本征催化活性和更高的產物選擇性，Co原子層的部分氧化進一步增加了其本征催化活性，進而在只有0.24 V的過電位下于40 h內獲得10 mA cm-2的穩定電流和90%的甲酸選擇性。本工作展示了金屬原子在位于特定的排列方法和氧化價態時，可能具有更高的催化轉化活性，即超薄二維結構和金屬氧化物的存在提高了催化還原CO2的能力。該工作有助于讓研究者重新思考如何獲得高效和穩定的CO2電還原催化劑，也對推動電催化還原CO2機理研究具有重要的意義。
文中催化劑的CO2吸附性質是通過美國麥克儀器公司的經典儀器ASAP 2020獲得，通過對比四種催化位點下催化劑的CO2吸附性能，有力的佐證了文中論點。
