中国科大二氧化碳电还原级联制环氧乙烷取得新进展

二氧化碳电还原作为一种高效的缓解温室效应策略受到广泛关注。在酸性环境下还原二氧化碳制乙烯具有高二氧化碳转化率的优势。当前，铜基材料在二氧化碳还原制备多碳产物上展现优异的选择性。然而，酸性环境下析氢副反应严重使得该技术发展面临巨大挑战。此外，较高的乙烯分离成本也是该技术发展的桎梏之一。

近日，中国科学技术大学高敏锐教授课题组报道了一种具有高拉伸应变结构的铜催化剂，在强酸环境中（pH=1）展现出优异的乙烯选择性与二氧化碳转化率。通过控制褶皱程度，构建了具有不同拉伸应变量的铜催化剂。具有高拉伸应变的铜催化剂具有最强的吸附钾离子能力，提升二氧化碳活化动力学；同时，钾离子的存在削弱了催化界面水的氢键结构，抑制了析氢反应，带来了乙烯的高选择性。进一步，通过合理级联反应设计，研究人员实现了二氧化碳到环氧乙烷的高效转化，相关成果以“Highly Tension-Strained Copper Concentrates Diluted Cations for Selective Proton-Exchange Membrane CO₂Electrolysis”为题发表在国际学术期刊《德国应用化学》上（Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202422054）。

图1:拉伸应变促进二氧化碳还原机理图

如图1所示，钾离子作为水结构破坏性例子，在界面处富集会降低氢键网络连通性，抑制氢离子向界面扩散，降低析氢反应活性。同时，钾离子的存在有利于关键中间体吸附态一氧化碳（*CO）的吸附，有效降低碳-碳偶联反应的能垒。该工作通过在催化剂表面引入拉伸应变，实现了在低钾离子浓度电解液中对钾离子的富集，抑制了析氢副反应，实现了强酸条件下二氧化碳还原制乙烯的高选择性（图1）。研究人员利用原位拉曼光谱、原位红外光谱对催化剂反应过程中界面环境进行原位测试，有力地证明了上述增强机理。

图2:酸性质子交换膜二氧化碳还原测试以及级联反应设计

进一步，研究人员设计了新型的质子交换膜测试装置，使用应变铜作为膜电极组件的阴极催化剂，而氢气氧化反应作为阳极反应，实现了在300mA cm^-2电流密度下乙烯选择性为44.3%（槽压为3.1V），并稳定运行100小时以上。进一步利用级联反应，最终实现了在全系统电压仅为6.59 V的条件下环氧乙烷法拉第效率达到35.5%。技术经济分析表明，相较于之前的电解系统，本设计能耗最低：生产1公斤环氧乙烷消耗能量仅245.5兆焦，电费约为3.4美元（图2）。

论文的通讯作者是合肥微尺度物质科学国家研究中心高敏锐和林岳教授，共同第一作者为中国科大博士研究生李烨成、特任副研究员张晓隆、博士研究生台晓琳、博士研究生余鹏程、安徽大学博士后杨雪鹏。相关研究受到国家自然科学基金委杰出青年科学基金、十四五国家重点研发计划等项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202422054

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）