奥克兰大学王子运、武汉理工大学麦立强Nature Communications!

第一作者：陆瑞虎、朱杰鑫、夏琛沣

通讯作者：王子运、朱杰鑫、麦立强

通讯单位：奥克兰大学、武汉理工大学

论文DOI：10.1038/s41467-026-73897-1（点击文末「阅读原文」，直达链接）

2026年6月3日，奥克兰大学王子运、武汉理工大学麦立强团队在Nature Communications期刊发表题为Catalytic nano-metal interfaces drive pH-universal CO2-to-ethanol conversion的研究论文，奥克兰大学陆瑞虎、朱杰鑫、华中科技大学夏琛沣为论文共同第一作者，王子运、麦立强、朱杰鑫为论文共同通讯作者。

一、研究背景

CO₂电还原制乙醇具有较高应用价值，因为乙醇是液体燃料和重要化学品，便于储存、运输和分离。然而，CO₂还原生成C₂产物通常涉及CO₂活化、C-C偶联以及后续多步质子化过程。传统铜基催化剂虽然可以促进C-C偶联，但往往同时生成乙烯、乙醇、乙酸盐等多种产物，导致乙醇选择性不高。

该研究认为，乙醇与乙烯选择性的关键不只是C-C偶联，而是C-C偶联之后含羟基中间体能否被保留下来。若关键中间体中的C-OH结构容易与界面水发生作用并发生脱羟基路径，则更容易走向乙烯；若羟基能够被催化界面稳定保护，则更有利于保留含氧结构并最终生成乙醇。

图1 催化剂设计

二、催化剂设计

作者提出在Cu表面引入纳米级过渡金属位点，使Cu负责CO₂活化和C-C偶联，而过渡金属位点负责与含羟基中间体发生适度相互作用，保护C-OH结构。通过对不同金属氧化物和氢氧化物形成能进行数据分析，作者发现Co-O相互作用强度较合适，既能与羟基产生稳定作用，又不会过度促进脱氧过程。

在此基础上，作者选择CoPc/Cu作为前驱体。在CO₂还原过程中，CoPc部分电化学还原并转化为纳米Co团簇，形成纳米Co/Cu界面。理论计算显示，多个Co原子在Cu(111)表面形成的纳米Co/Cu构型具有较低形成能，说明其在反应条件下具有一定结构合理性。

图2 理论指导的催化剂构筑

三、机制分析

DFT和AIMD计算表明，在普通Cu表面，CHCOH中间体容易与界面水形成氢键网络，使羟基更容易被质子攻击，从而偏向脱羟基路径并生成乙烯相关中间体。而在nano-Co/Cu界面上，Co位点能够与CHCOH中的O原子形成更强的Co-O相互作用，降低其与界面水的氢键耦合，从而保护C-OH结构。

计算结果进一步显示，nano-Co/Cu上*CHCOH向乙烯路径相关质子化过程的能垒升高，而CO₂活化、C-C偶联以及乙醇路径相关步骤的反应能更低。这说明Co/Cu界面不仅保护了羟基中间体，还在动力学上将反应路径推向乙醇生成。

图3 CO₂还原理论机制

四、性能表现

在碱性流动电解池中，nano-Co/Cu表现出优异的CO₂制乙醇性能。在1 M KOH中，乙醇法拉第效率达到62.17%，乙醇分电流密度达到约350 mA cm⁻²，同时液体产物法拉第效率为73.06%，C₂+产物法拉第效率达到96.38%。相比Nafion/Cu，nano-Co/Cu在不同电位下均表现出更高的乙醇/乙烯比例，说明Co/Cu界面的引入显著改变了C₂产物分布。

更重要的是，该催化剂在酸性条件下仍能保持较高乙醇选择性。在3.0 M KCl/0.05 M H₂SO₄酸性电解液中，nano-Co/Cu的乙醇法拉第效率达到45.32%，乙醇分电流密度达到约336 mA cm⁻²。相比之下，纯Cu在酸性条件下主要发生析氢反应，CO₂还原法拉第效率低于10%。在500 mA cm⁻²下，nano-Co/Cu可以稳定运行235小时，平均乙醇法拉第效率为44.74%。

图4 CO₂制醇性能

五、原位表征证据

原位XAS结果显示，在CO₂还原过程中，Cu主要保持金属态，而CoPc中的Co-N键逐渐消失，同时出现Cu-Co和Co-Co相关配位信号，说明CoPc确实在反应条件下转化为纳米Co/Cu结构。该过程验证了催化剂并非简单的CoPc修饰Cu，而是在工作状态下形成了真正的纳米金属界面。

原位红外光谱进一步检测到OH⁻、*CO、C-OH、-CH₃以及-CH₂CH₃等相关信号。与纯Cu相比，nano-Co/Cu上C-OH和乙醇相关中间体信号更强，说明该界面更有利于保留含羟基中间体，并推动其向乙醇产物转化。

图5 反应过程中的结构转化与表面中间体

六、总结

这项工作将CO₂还原制乙醇的设计重点从传统的“促进C-C偶联”进一步推进到“保护C-C偶联后的含羟基中间体”。作者通过纳米Co/Cu界面调控羟基亲和力，使关键C-OH中间体远离界面水的过度质子化作用，从而在碱性和酸性条件下均提高乙醇选择性。

整体来看，该研究的亮点在于提出了一个催化剂中心的pH通用设计思路：不再单纯依赖电解液、阳离子或添加剂调控界面环境，而是通过金属纳米界面直接稳定反应中间体。这为高选择性CO₂电还原制液体醇类产物提供了新的材料设计方向。