第一作者：王明达
通讯作者：王红明、单文哲
通讯单位：南昌大学
论文DOI：10.1021/acs.nanolett.4c05719
二氧化碳还原反应（CO
2
RR）旨在利用清洁能源将二氧化碳转化为增值化学品和燃料，对缓解温室效应和实现碳中和至关重要。然而，由于CO
2
固有的化学稳定性和复杂的多电子还原过程，电化学转化CO
2
为高价值C
2+
产物仍然是一个挑战。本研究探索了拓扑材料在CO
2
RR中的应用，筛选出一系列稀土铜酸盐，并发现Pr
2
CuO
4
具有鲁棒拓扑表面态（TSS），并且对C
2
产物具有潜在的选择性。电催化实验结果表明，Pr
2
CuO
4
表现出优异的催化性能，在高达220 mA cm
-2
的电流密度下，乙醇的产率超过67%。理论分析表明，关键中间体的C p轨道与Cu的d
x
2
-y
2
和d
z
2
轨道之间存在强相互作用，增强了电荷转移，从而促进了CO
2
到乙醇的转化。
利用可再生能源进行CO
2
电还原，合成高价值的多碳（C
2+
）产物，为解决能源和环境问题提供了一条极具潜力的途径。然而，CO
2
的活化和C-C键的耦合是CO
2
RR中的两个关键挑战。铜基材料是能够将CO
2
RR转化为C
2+
产物的催化剂，但由于其表面重构和反应途径复杂等问题，限制了其催化性能的提升。拓扑材料由于其非平庸的体带拓扑结构和拓扑表面态（TSS），可以加速电荷转移动力学，从而提高反应速率。因此，将拓扑材料应用于CO
2
RR催化剂的设计，有望实现CO
2
高效转化为高价值C
2+
产物。
1.
DFT
计算指导催化剂设计
：筛选出具有鲁棒拓扑表面态（TSS）的稀土铜酸盐Pr
2
CuO
4
，并发现其对C
2
产物具有潜在的选择性。
2.
高乙醇选择性与电流密度
：电催化实验结果表明，Pr
2
CuO
4
表现出优异的催化性能，在高达220 mA cm
-2
的电流密度下，乙醇的产率超过67%。
3.
拓扑表面态对CO
2
RR的机制研究
：关键中间体的C p轨道与拓扑能带贡献轨道Cu d
x
2
-y
2
和d
z
2
轨道之间存在强相互作用，增大了电荷转移，从而促进了CO
2
到乙醇的转化。
图1 稀土铜酸盐表面态。
初步筛选的主要目标是识别具有拓扑特性的稀土铜酸盐，然后评估它们在从 CO
2
RR还原特定C
2+
产物中的催化潜力。对稀土铜酸盐的110晶面表面态计算表明，费米弧只能在 Pr
2
CuO
4
中清晰观察到（图 1c），说明其110晶面存在拓扑表面态。
图2 Pr
2
CuO
4
的形貌和化学结构表征。
XRD结果显示所合成材料中的几乎所有峰都与Pr
2
CuO
4
的标准卡片对应（图2a）。SEM分析显示，合成材料呈块状结构（图2b）。并通过HR-TEM观察到所暴露的晶面主要为110和001晶面（图2d,e）。同步辐射数据说明Cu和Pr的价态分别为2价和3价（图2j,k）。材料在3 Å附近存在Cu-Pr峰，且和氧的配位方式与Pr
2
O
3
、CuO中的配位有所区别（图2l,m）。
图3 电催化CO
2
RR性能。
LSV表明Pr
2
CuO
4
具有优异的电催化活性（图3a）。并实现了高乙醇FE（67%）的优异电催化性能（图3b）。Pr
2
CuO
4
在对比分电流密度和稳定性等参数中均表现出色（图3d-f）。原位拉曼证实Pr也作为活性位点。为了进一步分析优秀催化性能的潜在机制，运用原位表面增强拉曼光谱证实Pr在反应中作为活性位点，促进了C-C偶联的进程（图3g,h）。原位全反射表面增强红外吸收光谱（图3i）显示了*CO在-0.7 V至-1.5 V的2098 cm
-1
处，对应于C≡O拉伸模式。该峰的强度随着电压的降低而增加，表明*CO中间体的稳定性增强。1126 cm
-1
和1365 cm
-1
处的峰对应于*OC
2
H
5
，它们的强度随着电压增加，表明乙醇产量增加。
自由能台阶图显示Pr
2
CuO
4
的最低能量路径为乙醇路径和实验对应(图4a)。且电荷差分密度和Bader电荷分析表明，当不对称C-C偶联时，Cu转移了更多的电子，降低了不对称偶联的自由能。
通过DFT计算表明Cu d
x
2
-y
2
和d
z
2
轨道为主要的拓扑能带贡献轨道（图5a,
b）。当关键中间体的C p轨道与Cu d
x
2
-y
2
和d
z
2
轨道之间存在强相互作用（图5c），拓扑表面态的存在可以增强电荷转移，从而降低反应路径吉布斯自由能，促进CO
2
到乙醇的转化。
该研究创新性将拓扑材料引入二氧化碳电催化还原领域，突破了传统催化剂设计思路，为开发高效、稳定的催化剂开辟了新方向。同时，团队充分利用江西稀土资源优势，实现了“资源-技术-应用”的闭环，为稀土材料的高价值化利用提供了范例。与同类研究相比，该成果在电流密度、选择性和稳定性等关键指标上均达到国际领先水平，且成本可控，具备工业化应用潜力。此项研究不仅为二氧化碳资源化利用提供了创新解决方案，也为拓扑材料在能源催化、化工合成等领域的应用奠定了基础。
Mingda Wang, Minxing Shu, Mi Long, Wenzhe Shan
*
,
Hongming Wang
*
; Efficient Conversion of CO
2
to Ethanol by
Utilizing the Topological Surface States of Rare-Earth Cuprates, Nano Letters,
2025, DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05719
王红明，南昌大学教授、博士生导师，博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所。研究方向为二氧化碳资源化利用与有机纳米材料光学肿瘤诊疗。入选赣江特聘教授、南昌大学香樟杰出教授、江西省青年科学家计划（江西杰出青年基金）、江西省双千计划高端创新人才。获得江西省自然科学奖二等奖两项（均排名第一），申请国家发明专利9项。主持了包括国家基金、江西省重大项目和江西杰青等9个项目。在Science, Chem, Angew. Chemie, Journal of Photochemistry and Photobiology
C, Advanced Materials, Advanced Functional Materials等SCI期刊上发表论文160余篇，H指数54。
课题组主页
http://www.x-mol.com/groups/ncuwanghm
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