电化学催化还原二氧化碳（CO2）为碳氢燃料或者其他高价值化学品不仅有利于缓解温室气体效应，同时还能够解决能源问题，因此受到各国研究人员的关注。然而传统高效催化剂均为贵金属，成本高昂，因此开发高效、高选择性的廉价非贵金属催化剂是该领域研究热点。由瑞士洛桑联邦理工学院Andreas Zu?ttel教授牵头的国际研究团队利用湿化学法在铜箔上生长铜纳米线（CuNWs），随后通过氧化还原的方法在CuNWs的表面上沉积一层金属铟（In）薄膜，从而制备出了CuIn复合纳米线催化剂。
扫描电镜表征显示，CuIn纳米线的平均长度为10 μm；通过透射电镜表征显示，该纳米线是由平均粒径10-20 nm纳米铜颗粒组成，表面包裹着一层厚度小于5 nm的In薄膜。研究人员分别对比了CuNWs和CuIn复合催化剂在不同气氛（N2和CO2）饱和的0.1M KHCO3电解质中的电催化性能。在N2氛围下，析氢（H2）反应中CuNWs催化剂显示出的电流密度比CuIn高得多，表示CuIn上强烈抑制H2析出。在CO2气氛下，CuNWs上获得的电流密度（在-0.6至-0.8 V之间的电位区间）比在N2气氛下的电流密度小了50%，其原因是Cu表面上的反应中间体（CO）的吸附，使Cu活性下降。但是，CO2气氛下不会导致CuIn的电流密度降低，反而增加。结果证实了CuIn在CO2存在下显示出比CuNWs更高的电流密度，表明CuIn催化剂在CO2还原方面有着独特的性能。在CO2饱和的0.1M KHCO3溶液中进行恒电位CO2电解催化实验。CuNWs和CuIn在-0.4V至-1.0V的电位范围内显示了不同还原产物的法拉第效率（FE）。CuNWs催化剂显示出典型的火山形状的CO选择性演变， -0.4 V工作电压区间FE从18%增加到-0.6 V时的47%，然后在-0.7 V后降低，CO是主要反应产物。而甲酸（HCOOH）是其副产品，其选择性随着施加电位的降低（-0.4~-1V区间）而线性增加。析氢反应作为CO2催化还原的竞争反应，在整个研究的电位窗口中产生H2，在较低的负电位（-0.4V和-0.5V）下具有高FE（>50%）。相反，对于CuIn催化剂，CO是整个研究范围内唯一的主要还原产物。在相似的实验条件下，其FE在-0.6至-0.8V范围内高达95%，甚至高于其他Cu合金催化剂（CuIn，CuSn等）和贵金属。在恒电势条件下对比CuNWs和CuIn的总电流密度（jtot）和CO部分电流密度（jCO）。CuIn的jtot高于CuNWs催化剂，主要归因于CuIn样品制备期间表面粗糙度增加以及催化中心的独特性质。由于jtot还包括来自HER的电流，因此jCO可以更好地反映催化剂催化还原CO2性能，研究发现CuIn的jCO比CuNWs的jCO高5倍以上。在-0.6V的施加电位下电解测试了CuNWs和CuIn的稳定性。在60小时稳定性测试期间，CuIn产生的总电流密度稳定在1.7 mA/cm2，并且CO FE始终保持在90%以上的数值，展现出极其优异的催化稳定性。研究人员认为CuIn催化剂的长期稳定性可能归因于其对金属杂质的低敏感性。CuNWs电极在CO2饱和电解质中失去其催化活性，而在CuIn的情况下没有观察到这种过程。认为是CuNWs催化反应中间体（CO）分解而形成的石墨碳随时间累积在表面上而导致催化剂失活。通过DFT计算表明，CuIn两种金属的界面显着降低了形成CO2与CO的关键反应中间体*COOH的自由能，也即催化电极对*COOH具有强的吸附力，从而促使CO2催化还原成CO反应的发生。
该项研究设计合成了以铜纳米线为载体的新型低成本铜铟纳米线复合催化剂，具备了优异的催化活性和稳定性，实现了CO2到CO的高效高选择催化还原，为设计开发高效廉价的CO2电催化剂提供了新的研究思路。相关研究工作发表在《ACS Catalysis》。
