CO₂电还原反应（CO₂RR）可以将CO₂转化为高附加值的小分子碳基燃料和化工原料，同时也是是储存间歇性可再生能源的潜在有效途径。Cu是目前唯一已知对多碳（C₂₊）产物生成有可观活性的CO₂RR电催化剂。因而，提高Cu催化CO₂电化学还原反应的性能对其实际应用至关重要。然而，金属Cu催化剂表面通常易被电解液浸润，导致活性位点不能有效对CO₂暴露，从而降低了C₂₊产品的法拉第效率和电流密度。最近的研究表明，阳离子交换离聚物可促进CO₂的扩散，增加CO₂的表面浓度，提高C₂₊产物的生成速率。但是在这种快速电极动力学下，决定C₂₊产物形成的*CO中间体的快速形成与消耗，导致*CO在催化剂表面的停留时间缩短，大大降低C-C偶联的可能性。

针对上述问题，近日，苏州大学王昱沆教授、复旦大学郑耿锋教授、奥克兰大学王子运教授、西南民族大学阳耀月教授团队，在季铵化聚降冰片烯离子聚合物（Pention D18、D35和D72）修饰的Cu催化剂上，发现了另一种受表面亲疏水性强烈影响的C-C偶联机制，即电极动力学阻滞可以延长表面*CO的停留时间，并提高C-C偶联概率，从而提升C₂₊产物法拉第效率。

为排除碱金属阳离子效应对催化界面的影响，作者在以去离子水为电解液的零间隙电解槽中，研究具有相同结构单元、但疏水性不同的D18、D35和D72修饰Cu催化剂（D18-、D35-、D72-Cu）的CO₂RR性能。离聚物疏水性的顺序为D18 > D35 > D72。结果表明，最疏水的D18-Cu在180 mA cm^-2时的C₂₊ FE最高，为70%，是相同电流密度下最亲水D72-Cu的3.5倍。Tafel分析表明，疏水性的增加使H₂和CO生成的速率决定步（RDS）前移至反应物（即H₂O和CO₂）扩散步，使C₂H₄生成的RDS前移至第一个电子转移步，表明疏水性增加减缓了CO₂RR动力学，并导致C₂₊产物的FE和分电流密度增强。

原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）研究表明，与D35-和D72-Cu相比，随着过电位的变化，D18-Cu上*CO覆盖的变化更慢。对线性结构吸附的*CO（*CO_L）峰强度随电位的变化做类Tafel分析，作者得到了与Tafel斜率分析一致的结论，即CO₂RR动力学的阻滞延长了*CO在表面的停留时间，提升的C-C偶联的几率。密度泛函理论（DFT）计算证明，*CO在疏水性更强的Cu表面的吸附更强。因此，疏水性最强的D18-Cu催化剂因为其表面更长时间的*CO驻留，而具有更高的C-C偶联概率，以及更高的C₂₊产物法拉第效率和分电流密度。

进一步，作者使用0.1 M KHCO₃阳极电解质，将C₂₊产物法拉第效率提升至90%，C₂₊分电流密度提升至223 mA cm^-2，并在200 mA cm^-2下获得55 h的稳定运行。

本研究中强调的机理发现和性能进展可以为大规模开发用于可再生燃料和化学品生产的高效CO₂RR催化剂和系统提供启示。