化学化工学院与数学科学学院科研团队合作揭示铜基催化剂高效电还原CO₂制乙醇中金属

近日，我校化学化工学院汪骋教授课题组、谢顺吉/王野教授课题组，与数学科学学院周达教授课题组等开展合作研究，在揭示铜基催化剂高效电还原CO₂制乙醇中金属-有机界面相的作用机制方面取得重要进展。相关成果以“Observation of metal-organic interphase in Cu-based electrochemical CO₂-to-ethanol conversion”为题，发表在Nature Communications。

在电化学领域，界面相通常是指位于电极材料与电解质之间、具有一定厚度的过渡层，它的形成往往对材料电化学性能的发挥起着关键作用。尽管锂离子电池的界面相研究已非常深入，但在电化学二氧化碳还原（CO₂RR）领域，关于界面相的研究仍相对较少。在CO₂RR领域，铜基催化剂因其能够催化生成乙烯和乙醇等多碳（C2+）产物而备受关注。现有研究表明，将有机分子固定在催化剂表面，借此调控活性位点周边的空间和电子性质，使其与中间体相互作用，可精细地调控CO₂RR的活性和选择性。尤其是经硫醇修饰的铜催化剂，其疏水性被认为是促进C2+产物选择性生成的关键因素。然而，在分子调控领域，系统地探究不同修饰剂的作用，全面评估各分子的结构特点以及物理化学性质的影响，进而建立起清晰明确的结构与选择性之间的关系，仍然是一项极具挑战的任务。

汪骋课题组与谢顺吉、王野教授团队将界面相概念扩展至电化学CO₂转化领域。通过对有机分子修饰的CuOx催化剂展开细致研究，发现在高乙醇选择性的催化剂体系中，分子修饰的CuOx上会形成一种厚度超过10 nm的金属-有机界面相层，这一发现与传统上认为的单层分子吸附有所不同。为了进一步深入研究，研究团队借助自动化实验平台，进行了1080组CO₂RR实验，对180种含N/O/S端基（如胺、硫醇和N-杂环卡宾）或不溶于水的分子修饰剂进行了全面筛选。同时，结合统计分析和机器学习方法，识别出了促进乙醇及多碳（C2+）产物选择性的关键官能团。研究表明，这些促进乙醇/C2+产物的分子修饰剂，能够稳定地在Cu或CuOx表面诱导金属-有机界面相的形成，并通过对Cu配位环境、CO₂RR反应中间体以及界面水结构有效调控，显著提升了催化剂的CO₂RR性能。此外，研究团队利用性能最佳的乙醇/C2+产物促进剂（1,8-辛二硫醇）对11种CuOx基催化剂进行了功能化处理，验证了这一修饰策略的普适性，最终开发出两种C2+产物法拉第效率接近80%的电催化剂，其乙醇分电流密度分别达到328和507 mA cm−2。该工作揭示了金属-有机界面相在CO₂RR制乙醇/C2+产物过程中的关键作用，为CO₂转化技术的发展提供了新的研究方向。

该项研究工作主要在汪骋教授的指导下完成，过程中得到谢顺吉、王野、周达教授的共同指导，2021级博士生沈衍为第一作者。该论文得到国家自然科学基金（22125502、22071207、22121001），中央高校基本科研业务费（20720240151、20720220011、20720230023 ）等项目资助。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57221-x

（化学化工学院）

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