这项研究展示了一种利用瞬时脉冲放电法构建非对称纳米铜簇催化剂的方法。通过强脉冲电流和高温，氯化铜分解产生的铜原子被吸附到石墨烯气凝胶上，形成了具有不对称原子和电子结构的催化剂。在二氧化碳还原反应中，这种不对称结构和丰富的活性位点提高了乙醇的选择性和活性。与可逆氢电极相比，在-1.1V电压下，乙醇的法拉第效率达到了75.3%，而多碳产物的法拉第效率达到了90.5%。此外，纳米铜簇和石墨烯气凝胶载体之间的强相互作用赋予催化剂显著的长期稳定性。通过原位测试和密度泛函理论计算，研究人员还阐明了关键的反应中间体和机制。这项研究为开发活性和稳定性均优越的非对称结构催化剂在能源转换方面提供了一种创新方法。
图2 Cu1.7 Clu/GA 的 CO2RR 性能。a Cu1.4 Clu/GAs、Cu1.7 Clu/GAs、Cu2.7 Clu/GAs、Cu4.1 Clu/GAs 和 Cu7.5 Clu/GAs 在二氧化碳饱和电解液中测量的 LSV 曲线。d Cu1.7 Clu/GAs 上所有产物在不同电位下的 FE。g 流动池示意图 h 流动池中 Cu1.7 Clu/GAs 的 LSV 曲线 i 流动池中不同电位（-0.7 V 至 -1.2 V）下 Cu1.7 Clu/GAs 上所有产物的 FEs。j 流动池中 EtOH 的部分电流密度 k 流动池中 -500 mA cm-2 下 Cu1.7 Clu/GAs 的长期稳定性测量结果。电位经过 iR 校正。
图5. Cu1.7 Clu/GAs 的理论 CO2RR 活性。a Cu4O-CuC2O1 分子的 Bader 电荷和差电荷密度分析结果。b Cu1.7 Clu/GAs 在电催化 CO2RR 过程中的原位拉曼光谱结果（200-1250 cm-1）。d NAP-XPS 测试中不同电位下 O 1s 的光谱和峰值拟合。e 通过 CO-CO 和 CO-CHO 二聚化实现 C-C 耦合的能垒，插图为过渡态。f 电化学 CO2 还原到 CH3CH2OH、C2H4、CH3COOH 的途径。g CH3CH2OH 中间产物的优化构型。橙色、红色、白色和灰色球分别表示 Cu、O、H 和 C 原子。
通过脉冲放电策略，研究者成功地实现了对非对称CuClu/GAs催化剂团簇大小的精确控制。通过调整充电电压，他们合成了一系列具有不同团簇尺寸的催化剂。其中，Cu1.7 Clu/GAs在8.6 kV的电压下表现出了卓越的催化活性和稳定性，能够将CO2还原为EtOH和C2+产物。实验结果得到了理论计算的支持，显示出电化学性能的增强与Cu4O-CuC2O1分子的最佳原子和电子结构有关。脉冲放电策略为催化剂的规模化生产提供了潜在的方法。调控团簇大小和相关催化特性的能力还表明该方法可应用于工业领域，特别是以可持续乙醇生产为目标的二氧化碳还原系统。这些具有高效率的催化剂突显了它们在碳中和方面的潜力。这项研究不仅增加了对催化剂设计和性能的理解，还为开发适用于特定工业应用的新一代催化剂奠定了基础。总体而言，这项工作大大提升了二氧化碳可持续利用的可行性，支持全球向碳中和过渡的努力。
参考文献：
Liu, K., Shen, H., Sun, Z. et al. Transient pulsed discharge preparation of graphene aerogel supports asymmetric Cu cluster catalysts promote CO
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electroreduction. Nat Commun
16
, 1203 (2025).
DOI
:
10.1038/s41467-025-56534-1
