借助可再生電能將氣體（CO2）轉化為其他具有附加值的多碳物質，具有科學意義和應用價值。 然而，CO2向C2+的轉化是一個多電子還原過程，涉及不同反應中間體在電極表面的反應和轉化。 如何實現高效的碳-碳偶聯（C-C）是關鍵之一。 據悉，如何在堿性條件下使C-C偶聯發生，提高CO2利用率，是決定反應整體能量利用效率的重點。 C-C偶聯是電催化CO2還原成C2+的決速步驟，CO*中間體在催化劑表面的吸附能決定了C-C偶聯的效率。 因此，改進多碳產物的關鍵是優化C-C偶聯途徑，提高反應效率。 由于C-C偶聯反應的動力學平坦，高反應能壘和對多碳產物的低選擇性阻礙了該反應的發展。

在這項研究工作中，我們構建了一個活躍的全局能量優化圖來確定 C-C 偶聯的最佳反應路徑，并通過結合合金化和脫合金策略創建具有不對稱 CO 吸附的相鄰二元活性位點。 點，突破了單一金屬的活性極限。我們以CO*吸附能為描述符進行過濾

具有銅基二元活性位點的 CuZn 最終被確定為最佳組合之一，突出了最佳的 C-C 偶聯性能并降低了 CO2 向 C2+ 的轉化反應的能壘。

圖 1.a. 氣體電還原的全局能量優化圖。 b. 銅基二元活性位點上 CO* 吸附能的篩選。 C。 氣體電還原為多碳產品的反應相圖。 d. 每個反應位點的活化能。

通過原位拉曼表征，我們否認 CuZn 催化劑在電催化 CO2 還原反應中具有更正的開啟電位，表明 CuZn 合金產生的不對稱 CO* 吸附位點促進了 C-C 偶聯反應的動力學。電解質。 通過電物理流體動力學模擬，我們證明納米多孔催化劑可以限制局部離子含量，進一步促進 CO2 質子化和 C-C 偶聯。

我們在薄層流動型電解池中進行了電催化CO2還原實驗，結合反應條件（電解液、電位等）的優化，最終在堿性pH4條件下實現了31±2%的CO2-C2+單一轉化率, > 80%的單一CO2利用效率。 在單個 CO2R 流動電解槽中，我們實現了 91±2% 的 C2+ 法拉第效率，包括 73±2% 的乙烯法拉第效率、31±2% 的全電池 C2+ 能量效率和 24±1% 的 CO2 單次轉換。在 150 mAcm?2 的商業相關電壓密度下運行超過 150 小時的速率達到了當前最先進的水平。

圖 2.a。 納米多孔 CuZn 催化劑上的電物理氣體還原示意圖。 b. 納米多孔 CuZn 結構的表征。 c，d。 納米孔中液體速度和離子含量的電物理流體動力學模擬。

圖 3.a。 CuZn催化劑在不同pH值下的多碳法拉第效率。 b. 不同 CO2 流速下多碳產品的單一轉化。 C。 不同pH值下CuZn催化劑多碳產物的陰極能效。 d. 氣體電還原穩定性試驗。 e. CuZn 氣體電還原與已發表研究的性能比較。

這項工作于 2023 年 3 月在線發表，標題為“to-” (doi: 10.1038/-023--x)。 北京大學現代工程與應用科學大學博士生張進和中國科學技術大學上海化學物理研究所博士后郭晨曦為該論文的共同第一作者。紙。 論文通訊作者。 該研究得到科技部國家重點研發計劃、國家基金委自然科學基金項目、廣東省“雙創個人”和“雙創團隊”項目的支持，以及南京大學月球關鍵物質循環前沿科學中心項目.