利用可再生电力将二氧化碳电催化还原(CO2RR)为燃料和化学品是实现全球碳中和和可持续发展的可行途径。目前各种电催化剂已被开发用于CO2RR，其中Cu基催化剂在生成高价值的多碳产物方面特别有效，因为其适当的中间体结合能促进了C-C偶联反应。在CO2RR的C2+产物中，乙醇是一种多功能的有机试剂，可用作高能量密度的燃料，也是生产有机化学品和消毒剂的原料。
尽管在提高Cu基催化剂的乙醇法拉第效率(FE)方面取得了进展，但反应的过电位通常相当大(~0.8 V)，对能量转换效率不利。因此，有必要开发合理的策略来对Cu基材料进行修饰改性，实现低能耗高选择性电还原CO2生产乙醇。近日，南京大学胡征、吴强和杨立军等以Cu2O为前驱体，多级氮掺杂碳纳米笼(hNCNCs)为载体，利用hNCNC能够通过微孔(~0.6 nm)俘获和N锚定单个金属原子的特性，成功构建了由CuOCu-N4双核中心和传统的Cu-N4中心组成的高分散Cu催化剂(Cu-1/hNCNC)。实验结果表明，该催化剂对电还原CO2生产乙醇表现出超低的过电位(0.19 VRHE)，并且在−0.30 VRHE的超低电位下，乙醇的法拉第效率达到56.3%，部分电流密度高达−10.76 mA cm−2；同时，该催化剂在−0.30 VRHE下连续运行6小时，乙醇的法拉第效率和部分电流密度几乎未发生下降，表明Cu-1/hNCNC具有优异的反应稳定性。光谱表征和理论计算结果表明，CuOCu-N4双核中心和传统的Cu-N4位点在Cu-1/hNCNC上共存，CuOCu-N4双核位点显著降低了C-C偶联反应的自由能，促进了低电位下乙醇的生成；同时，Cu-N4位点或hNCNC上产生的CO可以迁移到相邻的CuOCu-N4位点形成*CO，然后参与形成C2+产物。因此，共存的Cu-N4位点和hNCNC载体可以通过增加局部CO可用性来增强CuOCu-N4位点的CO2-乙醇性能，类似于串联电催化。总的来说，该项工作结合实验和理论结果深入理解了电还原CO2制乙醇的反应机理，为构建先进的Cu双核催化剂提供了思路。Oxygen-bridged Cu binuclear sites for efficient electrocatalytic CO2 reduction to ethanol at ultralow overpotential. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c01610
