串联催化系统实现高选择性电催化CO2还原制备液态C2产物的突破性研究

针对电催化CO2还原中C2+产物选择性低的难题，研究人员设计了一种由Ag NCs@Ag-MOF和Cu-O2N2-COF组成的串联催化系统，实现了液态C2产物（乙醇和乙酸）法拉第效率高达90.9%，电流密度达324.8 mA cm-2，创下该领域最高纪录。该研究为碳中和技术提供了新策略。

　　

在全球碳中和目标的驱动下，电催化二氧化碳还原（CO₂RR）技术因其能将温室气体转化为高附加值化学品而备受关注。然而，多碳（C₂₊）产物的选择性低始终是制约该技术发展的瓶颈——传统铜基催化剂虽擅长C-C耦合，但CO₂到*CO的转化效率不足，且反应电位不匹配易引发析氢副反应。如何突破这一"选择性困境"，成为学术界与产业界共同关注的焦点。

河南师范大学的研究团队在《Green Energy》发表了一项开创性研究。他们巧妙设计了一种双电解槽串联系统：第一级采用含高度分散银纳米簇（Ag NCs）的Ag NCs@Ag-MOF催化剂，在-0.78 V（vs. RHE）下实现99.1%的CO选择性；第二级采用具有稳定Cu-O₂N₂活性位点的共价有机框架（COF）催化剂，将CO高效转化为液态C₂产物。这种"分步协同"的策略完美解决了传统双金属催化剂电位失配的难题。

研究团队通过预还原法制备了Ag NCs@Ag-MOF复合材料，采用后修饰策略构建了Cu-O₂N₂-COF催化剂。利用流动电解池测试性能，结合原位衰减全反射表面增强红外光谱（ATR-SEIRAS）和密度泛函理论（DFT）计算揭示机理。

3.1. 结构表征揭示催化剂特性
Ag NCs@Ag-MOF的HRTEM显示6 nm银纳米簇均匀分散在MOF基底上，XPS证实Ag⁰/Ag⁺比例为58.9%/41.1%。Cu-O₂N₂-COF的EXAFS分析表明铜以单原子形式存在，形成独特的Cu-O₂N₂配位结构，这种结构通过DFT优化模型得到验证。

3.3. 串联催化展现卓越性能
在-0.98 V（vs. RHE）下，液态C₂产物法拉第效率达90.9%，是直接CO₂还原效率的1.9倍。电流密度在-1.2 V时高达324.8 mA cm^-2，且稳定性超过5小时。这种性能突破源于串联系统使*CO覆盖度提升至临界阈值，促进C-C耦合。

3.5. 机理研究揭示本质原因
原位红外光谱发现，以CO为气源时CO_atop(2056 cm^-1)信号强度显著增强，关键中间体OCCO(1548 cm^-1)和*OOCCH₃(1300 cm^-1)浓度大幅提高。DFT计算表明，Cu-O₂N₂位点通过"*CO→COCO→COCOH"路径实现C-C耦合，其中CO二聚步骤（ΔG=2.54 eV）是决速步。COHP分析揭示，COF框架中铜位点对CO的吸附强度（键合轨道积分4.92）优于CuO表面，符合Sabatier原理。

这项研究开创性地将MOF与COF材料优势互补，通过空间分离的串联催化策略，首次实现电催化CO₂制液态C₂产物的超高选择性。其意义不仅在于创纪录的性能指标，更在于提出了"电位解耦"的新范式——通过独立优化两级反应条件，突破传统催化剂设计局限。该工作为CO₂资源化利用提供了可扩展的技术路线，对发展绿色能源与碳中和关键技术具有重要指导价值。