將CO2通過電化學方法轉化為高附加值的C2+產物如乙烯，不僅對于“碳達峰”和“碳中和”目標的順利實現具有積極推動作用，并能減輕人類對化石燃料的過度依賴，然而，目前電催化CO2制乙烯受限于單一活性位點的多電子轉移過程和緩慢的C-C耦合步驟，仍面臨活性低、選擇性差等問題。
近日，中國科學院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室研究員曹榮、黃遠標設計出有效的串聯催化策略來提升還原CO2制乙烯的選擇性，通過將非貴金屬單原子Ni高效催化CO2RR產CO和Cu納米催化劑可以進行CO-CO耦合的優勢有效結合，進行串聯催化來提升CO2RR制乙烯的選擇性。研究在卟啉基三嗪框架中心錨定Ni單原子(PTF-Ni)及其表面負載Cu納米顆粒，制備出非貴金屬基的串聯電催化劑PTF(Ni)/Cu，催化時單原子Ni高效將CO2還原為中間體CO，生成的CO立即被臨近的Cu納米催化劑進行C-C耦合反應高效轉化為乙烯。因此，與非串聯催化劑PTF/Cu (卟啉中心無金屬原子的三嗪框架)主要產甲烷相比，乙烯的法拉第效率提高了5倍 (-1.1V vs. RHE)，由9.6% 提高到57.3%，優于目前已經報導的大多數電催化劑。此外，PTF(Ni)/Cu表現出良好的穩定性，連續電解11h后仍能保持約91%的初始活性。原位紅外實驗、對比實驗一氧化碳電還原和理論計算表明，PTF(Ni)有利于增加Cu納米顆粒表面的*CO活性中間體，進而提升C-C耦合的概率，并且明顯降低了生產乙烯所需要的能量，因此實驗通過串聯催化，提升了CO2轉換為乙烯的活性。該工作為進一步提升電催化CO2產附加值高的多碳產物的選擇性提供了新策略。
此外，近年來該團隊致力于設計多孔框架材料應用于CO2催化轉化研究，取得了系列進展（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 17108; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 20915; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 23641; Sci. China Chem. 2021, 64，1332；ACS Energy Lett. 2020, 5, 1005; ACS Materials Lett. 2021, 3, 454; Small 2021, 2004933; Small 2020, 2005254; CCS Chem. 2019, 1, 384; Appl. Catal. B: Environ. 2020, 271, 118929）。
相關研究成果發表在Angewandte Chemie International Edition上，并被選為Hot Paper。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、中科院青年創新促進會優秀會員項目等的資助。
串聯電催化劑提升CO2RR制乙烯示意圖
（來源：福建物質結構研究所）