厦门大学黄小青团队Nat. Nanotech.：工业级电流密度下1000小时稳定催化CO制乙酸盐

CO ₂ 或 CO 的电还原提供了一种有吸引力的近零排放方法，可以在低温下可持续地生产乙酸，但直接将 CO ₂ 电还原为乙酸盐需要高过电位（ >6 V ）并且在碱性条件下会带来难以解决的碳酸盐积累问题。最近，提出了一种两步串联系统，将 CO ₂ 转化为 CO 与 CO 转化为 C ₂₊ 反应配对。也就是说， CO ₂ 可以通过高温固体氧化物电解器高效地转化为 CO 。随后， CO 可以通过碱性 CO 还原反应 (CORR) 电解器进一步转化为多碳产物。

尽管如此，目前大多数 CORR 电解槽都表现出较差的醋酸盐活性（ <0.3 A cm ^-2 ）和寿命，以及有限的醋酸盐法拉第效率 (FE) 。多年的研究已经达成共识，铜 (Cu) 是 CO 转化为醋酸盐最有效的催化剂。然而，传统的 Cu 结构不稳定，易受析氢反应的影响。人们致力于设计不同类型的 Cu 催化剂，旨在提高 CO 转化为醋酸盐的选择性和电流密度。尽管 CO 到醋酸盐转化的 FE 已得到显著提高，但最先进的 CORR 电解槽只能在低电流密度 <0.5 A cm ^-2 下运行，具有高过电位（ >3.5 V ）和有限的寿命。

相关研究成果以“ Zeolite-confined Cu single-atom clusters stably catalyse CO to acetate at 1 A cm ^-2 beyond 1,000 h ” 为题 发表在 Nature Nanotechnology 上。

独特的结构 ：CuZSM SACL催化剂中，铜单原子（Cu SAs）通过强健的Cu-O-Si键化学锚定在ZSM沸石分子筛的孔道中，而铜簇（Cu CLs）则被物理限制在沸石的孔腔内。这种结构结合了单原子催化剂和纳米团簇催化剂的优点。

协同效应 ：Cu SAs和Cu CLs之间存在协同效应，可以促进不对称的C-C偶联，从而显著提高CORR的效率和稳定性。DFT计算表明, CuZSM SACL在CO-COH形成和CH2-CO生成步骤中具有更低的能垒。

优异的性能 ：CuZSM SACL催化剂在CORR中表现出卓越的性能。高电流密度：在膜电极组件（MEA）中，CuZSM SACL实现了1.8 A cm ^-2 的CO制乙酸盐的电流密度。高法拉第效率（FE）：乙酸盐的法拉第效率高达71±3%。出色的稳定性：CuZSM SACL基MEA能够在1 A cm ^-2 的工业电流密度下，以2.7 V的稳定电压和61±5%的法拉第效率，稳定催化CO转化为乙酸盐超过1000小时。

稳定性机制 ：Cu-O-Si键可以有效稳定Cu的SAs。沸石空腔的限制效应, 可以抑制Cu的CLs生长和聚集。

图 4.MEA中的CORR性能

https://doi.org/10.1038/s41565-025-01892-6 （ 点击文末阅读原文可下载原文献 ）