電催化二氧化碳(CO2)轉(zhuǎn)化為增值多碳(C2+)產(chǎn)品，如乙烯(C2H4)，為CO2利用提供了一個有前景的途徑。

然而，實(shí)現(xiàn)安培水平的工業(yè)C2H4生產(chǎn)受到與C-C耦合相關(guān)的高能壘的阻礙，這主要涉及對稱*CO/*CO或非對稱*CO/*CHO耦合。直接*CO二聚化途徑需要在C-C鍵形成之前進(jìn)行sp-雜化軌道重構(gòu)，導(dǎo)致顯著的動力學(xué)限制。此外，C2H4的形成是一個氫化驅(qū)動的過程，其中質(zhì)子可用性對于提高選擇性至關(guān)重要。

在這種情況下，與對稱的*CO/*CO耦合相比，非對稱*CO-*CHO耦合為優(yōu)化C2H4選擇性提供了更有利的途徑。盡管將外來金屬摻入Cu基催化劑可以穩(wěn)定非對稱耦合位點(diǎn)，但仍需開發(fā)合理的設(shè)計(jì)策略以進(jìn)一步最小化非對稱C-C耦合的能壘，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)相關(guān)的C2H4產(chǎn)量。

近日，華中科技大學(xué)夏寶玉、中國科學(xué)院上海高等研究院宋飛和南昌大學(xué)王紅明等提出了一種合理的催化劑設(shè)計(jì)策略，以促進(jìn)非對稱*CO-*CHO偶聯(lián)，促進(jìn)C2H4的產(chǎn)生。具體而言，研究人員通過鑭系金屬(LMs)修飾的Cu催化劑的理論篩選，證實(shí)鐠(Pr)單原子促進(jìn)了CO2的活化，降低了非對稱*CO-*CHO偶聯(lián)的能壘。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在CO2RR過程中，優(yōu)化的Cu基催化劑負(fù)載Pr單原子(Pr@Cu-2，含有6 wt%的Pr)在1200 mA cm-2的高電流密度下的C2H4法拉第效率達(dá)到64.2%，C2H4部分電流密度為762 mA cm-2。此外，在流動池中，Pr@Cu-2在-1.6 VRHE下連續(xù)電解100小時后，C2H4法拉第效率沒有發(fā)生顯著下降，表明催化劑具有良好的耐久性。

原位光譜表征和理論計(jì)算表明，引入原子Pr位點(diǎn)可增強(qiáng)CO2的活化，并通過高效的H2O解離促進(jìn)界面質(zhì)子(H+)的供應(yīng)，從而增加*CHO覆蓋率，驅(qū)動非對稱C-C偶聯(lián)。為了證明制備的材料的實(shí)際適用性，將Pr@Cu-2整合到一個100 cm2膜電極組體(MEA)電解槽中。該電解槽在20 A下表現(xiàn)出200小時的穩(wěn)定性，C2H4生產(chǎn)速率為21.3 mL min-1，C2H4的全電池能量效率(EE)為19.3%。

總的來說，該項(xiàng)工作證實(shí)了LMs的4f電子構(gòu)型和強(qiáng)氧親和力在促進(jìn)水解離和生成*CHO方面的潛力，為設(shè)計(jì)和開發(fā)遵循非對稱*CO-*CHO偶聯(lián)途徑的CO2RR催化劑提供了理論依據(jù)。

Asymmetric CO-CHO coupling over Pr single-atom alloy enables industrial-level electrosynthesis of ethylene. Journal of the American Chemical Society, 2025.DOI: 10.1021/jacs.5c02896

夏寶玉，博士，華中科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，國家杰出青年基金獲得者。2010年畢業(yè)于上海交通大學(xué)，2011年至2016年在新加坡南洋理工大學(xué)工作。主要從事能源化學(xué)、材料化學(xué)教研工作。主持自然科學(xué)基金，中組部人才項(xiàng)目，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目。主要從事能源化學(xué)、材料化學(xué)等教研工作，主持自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題等項(xiàng)目，在Nature、Science、Nat. Energy、Nat. Commun.、Sci. Adv.、AM、JACS、Angew.、PNAS等國際期刊發(fā)表多篇同行評議論文，研究成果被國內(nèi)外同行引用近萬次，從2018年起連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學(xué)家，參與編寫3本專著。

（來源：華中科技大學(xué) 版 權(quán)屬原作者 謹(jǐn)致謝意）