麦立强&Edward H. Sargent&庞元杰，​重磅Nature！

二氧化碳和一氧化碳的电还原反应，当使用低碳电力供电时，提供了化学制造的脱碳途径。铜(Cu)现在依赖于碳-碳耦合，在这种耦合过程中，它产生了十多种 C₂₊化学物质的混合物：一个长期存在的挑战在于实现对单一主要 C₂₊产物的选择性。醋酸盐就是这样一种 C₂化合物，正在通往规模庞大但源自化石的醋酸市场。

在此，来自武汉理工大学的麦立强&加拿大多伦多大学的 Edward H. Sargent &华中科技大学的庞元杰等研究者追求分散低浓度的Cu原子在宿主金属中，以有利于酮类化合物的稳定—而酮类化合物是一种以单齿方式结合到电催化剂上的化学中间体。

相关论文以题为“Constrained C₂ adsorbate orientation enables CO-to-acetate electroreduction”于2023年05月03日发表在Nature上。

乙酸的年产量超过1800万吨，市场价值接近每年100亿美元。它是生产对苯二甲酸的工业溶剂，以及制造涂料、粘合剂和涂层的乙酸乙烯酯的前体。从乙酸衍生出来的醋酸盐钠和醋酸盐钾是有用的食品添加剂。

乙酸和醋酸盐盐的工业生产需要一个多步骤的过程：在5-10 MPa和250°C的条件下，将合成气体热催化转化为甲醇，然后通过甲醇和CO的甲酰化反应形成乙酸。这个过程源自化石燃料，每生产1千克乙酸产生1.6千克的从原料采集到生产之间的CO₂当量排放。

使用可再生电力驱动的电化学系统，已经成功地利用CO₂或CO和水作为反应物，合成了醋酸盐盐和乙酸。

通过现场中和醋酸盐盐可轻松实现醋酸盐盐到乙酸的转化。直接水相CO₂到醋酸盐盐的电还原，已经展示了令人印象深刻的选择性，达到了49%的法拉第效率（FE）；但是，与醋酸盐-氧气偶合的理论能量值0.91 V相比，全电池电位达到了6.6 V，导致每生产1吨醋酸盐钾的总能耗为285 GJ。

串联二氧化碳电还原反应（CO₂RR）已经显示出提高电压和醋酸盐盐选择性的潜力：通过配对提供大于95% FE的CO₂到CO固态氧化电解池技术，与CO到C₂₊电解器结合，串联CO₂RR从更加能源和碳效率的CO₂到CO步骤中获益。

从CO开始减少了复杂性，因为每个CO分子所需的电子数比从CO₂获得相同的产物少两个。当前最先进的CO到醋酸盐盐电转化法具有与直接CO₂RR方法相当的FE，但其全电池电位要低得多，约为4 V，表明具有更低的每吨醋酸盐钾总能耗231 GJ的潜力。为了经济可行性，人们的目标是在SOEC和CO到醋酸盐盐反应器之间实现相当高的FE(>90%)。

碳-碳（C-C）偶联电化学依赖于基于铜的催化剂；然而，它们在许多可能的C₂产物中的选择性很低。研究者注意到C₂中间体具有不同的结合方向，确实有些中间体，例如双齿夹持在铜上（中间体在两个接触点上结合）的中间体，更有利于乙烯，乙醇和1-丙醇。

相比之下，单齿的C₂中间体与乙酸有一一对应的关系。这激发了研究者追求在催化剂表面上具有小而独立的铜区域，以促进乙酸的产生，相对于双齿夹持的中间体所产生的其他产物。

为了解决当催化剂表面上存在大量非铜原子时C-C偶联反应速率降低的问题，研究者合成了Cu-in-Ag稀释(约占Cu的1%)合金材料，发现在高CO覆盖率下，在10 atm压力下，从CO电合成醋酸盐盐具有高度选择性。

Operando X射线吸收光谱表明，在现场产生的铜簇由< 4个原子作为活性位点。研究者报告了12:1的比例，与之前最好的报告相比，在从一氧化碳电还原反应中观察到的所有其他产物中，乙酸的选择性增加了一个数量级。

结合催化剂设计和反应器工程，研究者实现了CO对乙酸的法拉第效率为91%，法拉第效率为85%，运行时间为820小时。高选择性有利于所有碳基电化学转化的能量效率和下游分离，突出了最大化单个C₂₊产物的法拉第效率的重要性。

图1. CO-to-醋酸盐电催化剂设计

图2. Cu/Ag-DA纳米颗粒的结构表征

图3. XAS分析

图4. Cu/Ag-DA材料在压力下的CO电还原

总之，这项工作将理论引导的催化剂策略和反应器设计相结合，调节了催化剂的微观环境。研究者发现，将Cu/Ag-DA催化剂材料和高压CO气体相结合，导致对单齿配体C=C=O吸附物的偏好，因此在高CO覆盖率下选择性地生成醋酸盐，产生了91%的醋酸盐的FE。

麦立强，男，生于1975年12月，博士生导师，首席教授 ，2016年度教育部“长江学者特聘教授”，国家“杰出青年基金”获得者，国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”首席科学家，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。

现任国际期刊Journal of Energy Storage副主编、Chemical Reviews、Advanced Materials客座编辑、Accounts of Chemical Research、Joule（Cell子刊）、ACS Energy Letters、Small、Science China Materials、Energy Environmental & Materials、Advanced Electronic Materials国际编委、Nano Research编辑、《功能材料》编委、中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事、中国化学会能源分会首届委员。

发表SCI论文380余篇，包括Nature (1), Nature Nanotechnol (2), Chem Rev (3), Chem Soc Rev (2), Nature Commun (9), Adv Mater (19), Nano Lett (27), Joule (2), Chem (2), Acc Chem Res (1), PNAS (2), J Am Chem Soc (4), Angew Chem Int Ed (2), Energy Environ Sci (3)。76 篇ESI高被引论文和18篇ESI热点论文,。总引用23770次。

庞元杰，华中科技大学，光学与电子信息学院，教授，博士生导师。2008年于加拿大维多利亚大学获得学士学位，2012年于加拿大维多利亚大学获得博士学位。在美国密歇根大学及加拿大多伦多大学分别进行博士后研究。

科研学术方向包括：

(1)纳米光子光镊与原位光激发：光镊是一种在液态环境中对微纳粒子进行操控的技术，因其在操控中无接触与低伤害的特点，被广泛应用于单分子生物学等科研领域中，于2018年获得诺贝尔物理学奖。课题组利用纳米光子结构中捕捉区域与激发区域重合的特点，对被捕捉粒子进行高效光激发，有助于解决单体粒子原位表征及非传统光源（如纳米激光器、单光子源等）制备问题。

(2)电催化CO₂及CO还原制取高赋值燃料储能：以太阳能为代表的清洁能源可以满足未来能源需求，但其间歇性限制了其大规模应用，亟需一种长期储能方式与之匹配。电催化CO₂还原可利用间歇性清洁能源将CO₂转化为碳基燃料和原料，被认为是未来储能技术的良好候选之一。课题组利用尖端电磁场增强效应，实现了CO₂向一氧化碳 (CO) 的高效电催化转化，并完成了CO的进一步升级转化，为清洁能源存储提供了优良方案。

Jin, J., Wicks, J., Min, Q. et al. Constrained C2 adsorbate orientation enables CO-to-acetate electroreduction. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05918-8

原文链接：

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

http://faculty.hust.edu.cn/pangyuanjie/zh_CN/more/2153750/jsjjgd/index.htm

http://mai.group.whut.edu.cn/chs/cy/fzr/