高选择性的CO₂电还原反应（CO₂RR）对于合成高附加值的多碳产物（如C₂H₄）具有重要意义，但其在很大程度上受到单一活性中心的多电子转移过程和缓慢的C-C耦合步骤的严重限制。

近日，中科院福建物构所曹荣研究员，黄远标研究员报道了开发了一种有效的串联催化策略，通过在局部附近多个不同的催化位点来提高CO₂RR对C₂H₄的选择性。

文章要点

1）研究人员将Cu纳米颗粒均匀分散在锚定原子孤立的Ni-N位点的卟啉三嗪骨架（PTF(Ni)）上，构建了串联催化剂PTF(Ni)/Cu用于CO₂RR生成C₂H₄，其中PTF(Ni)可以有效地将CO₂还原到高浓度的CO，并随后迁移到附近的Cu位，为下一次C-C偶联和进一步生产C₂H₄提供高覆盖率。作为对比，还制备了TPPCN三聚反应得到的分散在PTF上的Cu纳米颗粒，PTF/Cu。与主要生成CH₄的PTF/Cu催化剂相比，PTF(Ni)/Cu催化剂在-1.1 V下催化CO₂RR生成C₂H₄的选择性高达57.3%，比非串联对照催化剂PtF/Cu的最大FE_C2H4（9.6%）高6倍。

2）控制实验和密度泛函理论(DFT)计算表明，PTF(Ni)/Cu催化剂用于CO₂RR，较高的C₂H₄选择性得益于PTF(Ni)产生的高浓度CO可为附近Cu位点提供富CO的局部环境，提高了C-C偶联的概率，进而提高了C₂H₄选择性。此外，PTF(Ni)/Cu表现出良好的稳定性，连续电解11 h后仍能保持约91%的初始活性。

3）电化学衰减傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）捕捉到PTF(Ni)/Cu串联催化剂上的关键中间体*CO和*COCO^-，而在PTF/Cu上没有观察到这些中间体，证实了PTF(Ni)生成的高浓度CO增加了*CO在Cu纳米颗粒上的中间覆盖度，使得产物从CH₄转变为C₂H₄。

该工作为高选择性CO₂RR串联生产多碳产品提供了一条有效的电催化剂设计途径。

参考文献

Dong-Li Meng, et al, Highly Selective Tandem Electroreduction of CO₂ to Ethylene over Atomically Isolated Nickel-Nitrogen Site/Copper Nanoparticle Catalysts, Angew. Chem. Int. Ed., 2021

DOI: 10.1002/anie.202111136

https://doi.org/10.1002/anie.202111136