5月3日，光电信息学院庞元杰教授最新研究成果“限制二碳吸附基团构象完成一氧化碳向乙酸盐电还原”（Constrained C2 adsorbate orientation enables CO-to-acetate electroreduction）在《自然》（Nature）发表。光电信息学院金健博士、博士生闵秋红，多伦多大学的Josh Wicks和上海交通大学的李俊教授为论文第一作者。庞元杰教授、多伦多大学E. H. Sargent教授、武汉理工大学麦立强教授为论文通讯作者。我校为论文第一通讯单位。

实现“碳达峰”、“碳中和”，是我国可持续发展、高质量发展的内在要求，也是推动构建人类命运共同体的必然选择。从资源、能源发展战略的角度来看，利用低品阶的可再生电能，通过二氧化碳催化电解手段，将二氧化碳转化为高附加值的碳基燃料或化学品，对于保护环境和推动社会与经济可持续发展具有巨大而深远的战略意义。

该论文报道了一种新型稀释合金催化剂，可在高压强反应条件下将一氧化碳高效还原为乙酸。反应最高选择性（法拉第效率）达91%，已和二氧化碳至一氧化碳的电还原选择性相仿；能量转化效率达34%，为现有纪录两倍左右；长时运行可保持80%左右选择性820小时以上，大大超越现有纪录。

图1.本文的理论计算，表明铜-银稀释合金催化剂表面更利于单齿型吸附的*C=C=O二碳基团的生成，以及其需要更高的CO表面覆盖度以保证碳-碳偶联的高效发生。

图2.铜-银稀释合金催化剂的透射电镜表征，其中只观察到银的晶格，表明铜元素在其中以原子级团簇进行分散。

图3.铜-银稀释合金催化剂的同步辐射原位表征，进一步探索了铜元素在稀释合金中的分散状态：铜团簇的大小大约在2-4个原子之间。

图4.铜-银稀释合金催化剂在高压反应装置中取得的性能：在10个大气压工况的流式反应池中，乙酸电合成选择性可达91%；在10个大气压工况的膜电极组件反应池中，乙酸电合成选择性可达85%并能在80%左右保持820小时以上。

在二氧化碳电催化还原反应中，铜基催化剂是已知唯一拥有良好多碳产物合成效率的催化剂，因为其能高效催化碳-碳偶联步骤。偶联完成后反应路径过于复杂，因此铜可催化生成十几种多碳产物，但每一种选择性都不高。对于乙酸产物来说，关键中间产物为一种“单齿型”吸附的二碳基团，即只有一个碳原子与铜成键、“战立”在铜表面上的CCO基团。本工作设计了让铜以原子级分散在银基底中的铜-银稀释合金催化剂，其中铜位点只有2-4个原子，迫使碳基团偶联后进入“单齿型”吸附状态，将反应高效导入乙酸生成路径。但过小的铜位点在反应中将面临无法高效完成碳-碳偶联步骤的问题，计算表明在铜-银稀释合金催化剂表面完成碳-碳偶联需要比平常更高的反应物分子覆盖度。采用武汉理工大学纳米重点实验室的先进原位拉曼光谱系统，证明了CO还原过程中的一个中间提示C=C=O或（OH）C=COH构型。因此本工作设计了高压强三相界面反应装置并得到国家发明专利授权，其可在高气压条件下保持气-液两相平衡进而稳定工作，解决了催化剂表面反应物分子覆盖度的需求。结果，铜-银稀释合金催化剂可在10个大气压、3.1伏全池电压工况的流式反应池中，用5mol氢氧化钾为电解液，以最高91%的选择性将一氧化碳转化为乙酸；在10个大气压工况的膜电极组件反应池中，以2.2伏全池电压，能够将80%以上的选择性保持820小时以上。反应的高选择性、低电压保证了高达34%的能量转化效率。经济技术可行性分析表明，两步法二氧化碳电解技术在乙酸的电合成过程中具有较低的成本，保证了该技术在未来的应用前景。

综上，本工作实现了一种可持续的工艺，能够利用低品阶清洁电能将二氧化碳经一氧化碳两步转化为乙酸，实现了乙酸的零碳绿色生产，并在此过程中达到了高选择性和高能量转化效率。重要的是，本工作证实了二氧化碳电解技术在分布式清洁能源存储方面的应用潜力，及使用二氧化碳电催化转化技术进行碳基化学品绿色合成的可行性，将为“双碳目标”的达成贡献一份力量。

庞元杰教授于2018年入选国家级人才计划，其科研方向为电催化二氧化碳还原，致力于发展高压三相界面反应体系，完成二氧化碳向多碳化学品的高效转化，构建兼容高压的近工况原位表征技术群，阐明压强在二氧化碳还原反应过程中对反应速率、反应路径、决速步、及选择性的调控作用，总结高压体系下材料及表界面构效关系，发展新颖、高稳定、高效生产多碳产物的催化剂体系。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05918-8