给原子“排好队”！深圳理工找到二氧化碳高效转化甲烷的“黄金距离”

随着“双碳”目标的深入推进，如何有效减少并利用大气中的二氧化碳成为全球科研前沿的焦点。电化学二氧化碳还原技术旨在利用风能、太阳能等可再生能源产生的电力，将温室气体二氧化碳转化为高附加值的燃料和化学品，被誉为“人工光合作用”的终极梦想之一——其中，将二氧化碳高效转化为甲烷尤其引人注目。

近日，深圳理工大学学者在Nature Communications上发表最新成果，阐述了在电化学二氧化碳还原（ECR）领域取得的重要进展。他们通过一种载体几何工程创新策略，像“摆棋子”一样精确控制催化剂中铜单原子的间距，构建出一个高效的“原子级工厂”，可将二氧化碳高效转化为清洁能源甲烷（天然气主要成分）。

据了解，该技术将甲烷生成的选择性提升至70%，部分电流密度达到303.9mA cm⁻²，性能较传统催化剂提升1.5倍以上，为闭合“人工碳循环”、实现碳中和目标提供了全新的技术路径。

论文上线截图

在此项工作中，博士后黎琳波、博士生雷新为共同第一作者，深圳理工大学材料科学与能源工程学院助理教授张小龙、深圳理工大学院士工作站教授成会明、深圳理工大学材料科学与能源工程学院特聘教授唐永炳为共同通讯作者。

精妙布局：找到原子间的“黄金距离”

载体几何工程策略和新型催化剂ssCuNC及传统催化剂CuNC SACs的形貌、配位和电子结构表征

如何将二氧化碳高效转化为甲烷？实验表明，传统的铜基催化剂在反应中往往“力不从心”，转化效率低，且容易产生多种副产物，如同一个生产线混乱的工厂，无法精准产出目标产品。尽管近年来兴起的单原子催化剂（SACs）展现了巨大潜力，但如何让这些孤立的原子“协同工作”，从而使生产效率最大化，一直是困扰科学界的难题。

面对这一瓶颈，研究团队独辟蹊径，将目光投向了活性位点本身的空间布局。 “之前的研究大多关注单个原子位点本身的特性，就像只关心单个工人的技能。但我们发现，工人与工人之间的距离，同样至关重要。太远，他们无法协作；太近，又会互相干扰。找到那个‘最佳协作距离’，是提升整体效率的关键。”张小龙解释道。

为此，研究团队设计了一种精妙的“载体几何工程”策略。他们以平整的石墨片作为“二级地基”，通过聚多巴胺（PDA）这层特殊的“分子胶水”，将铜原子以单原子的形式牢固、均匀地“锚定”在上面。通过精确调控，他们成功将铜原子之间的平均距离（dsite）控制在大约0.68纳米——这正是实现二氧化碳高效转化为甲烷的“黄金距离”。

新型催化剂ssCuNC和传统催化剂CuNC SACs的位点距离效应与铜（Cu）负载量的相关性

性能飞跃：甲烷转化高效、高速且稳定

经过如此精密的“原子排阵”，新型催化剂（ssCuNC）展现出了令人振奋的性能。在-0.96V（相对于可逆氢电极）的电压下，其对甲烷的选择性高达70%。更令人惊叹的是，其甲烷生成的速率（部分电流密度）达到了303.9mA cm⁻²，这一数值是未经优化的传统催化剂的1.5倍以上，达到了国际文献报道的最高水平之一。

此外，在模拟实际应用的流动池中，该催化剂在高达300mA cm⁻²的工业级电流密度下，稳定运行超过20小时，且甲烷产率始终保持在50%以上，证明了其卓越的耐久性和工业化应用潜力。