通过可再生电能进行CO₂电化学还原制备CH₄等高附加值化学品是一种具有前景的解决碳化学循环的方法。但是通常电催化还原CO₂反应的动力学过程需要8 e^-多步反应，这使得催化反应效率和电流密度难以令人满意。之前的研究人们发现原子级Cu催化剂结构因为d能带结构移动，具有合适的中间体结合能，能够显著增强电催化还原CO₂缓缓制备CH₄的选择性。

有鉴于此，莱斯大学Pulickel M. Ajayan、辛辛那提大学吴景杰、多伦多大学Chandra Veer Singh等报道通过多庚嗪钠PHI（Na-polyheptazine）和聚三嗪酰亚胺锂PTI（Li-polytriazine imides）构筑二维CN，作为担载Cu-N₂结构单原子位点的基底，通过简单方便的金属离子交换反应实现了非常高密度的Cu-N₂单原子位点。

主要内容

（1）

性能最好的Cu担载量优化的Cu-PTI材料，在-0.84 V vs. RHE过电势进行电催化还原CO₂制备CH₄实现了68 %的法拉第效率，高达348 mA cm^-2的部分电流密度，性能比大多数高性能的电催化剂更好。

（2）

在这种催化剂中，含有多个取代Cu原子的纳米孔形成热力学稳定的双原子/三原子位点，这种双原子/三原子位点具有较大的原子间距。

通过第一性原理计算，得出多个Cu-CN位点的协同催化作用，并且解释Cu-Cu间距和局部环境如何晶相中间体物种的吸附，态密度，CO₂转化为CH₄的能量变化。Cu-PTI的9N孔结构能够形成具有协同催化能力的Cu-Cu催化位点，显著改善电催化CO₂还原制备CH₄的反应决速步骤动力学。

参考文献

Soumyabrata Roy, Zhengyuan Li, Zhiwen Chen, Astrid Campos Mata, Pawan Kumar, Saurav Ch. Sarma, Ivo F Teixeira, Ingrid F Silva, Guanhui Gao, Nadezda V. Tarakina, Md. Golam Kibria, Chandra Veer Singh, Jingjie Wu, Pulickel M. Ajayan, Cooperative Copper Single Atom Catalyst in Two-dimensional Carbon Nitride for Enhanced CO₂ Electrolysis to Methane, Adv. Mater. 2023

DOI: 10.1002/adma.202300713

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300713