推进单原子催化剂在CO2电还原中的协同策略

将气候问题变成有用资源

燃烧煤、石油和天然气向空气中释放大量二氧化碳，导致地球变暖并推动极端天气。本文章探讨科学家如何利用可再生能源的电力，将这种废气转化为有用的燃料和化学品。通过设计由单个金属原子构成的催化剂，研究人员希望构建紧凑的装置，一方面以化学形式储存绿色电能，另一方面减少碳排放。

电力如何重塑二氧化碳

这一工作的核心是称为电化学CO2还原的过程，其中电能促使CO2分子重排，生成一氧化碳、甲酸、甲烷，甚至更复杂的二碳燃料等产物。该反应极具挑战性，存在多条竞争途径和缓慢步骤，会浪费能量或产生如氢气等不想要的副产物。置于电极表面的催化剂有助于引导反应，降低能垒并偏向特定产物。但许多传统催化剂在速率、选择性和长期稳定性方面仍然不足，这限制了它们在实际装置中的应用。

单原子：微小的主力军

综述解释了为何由孤立单个金属原子构成的催化剂可以远胜于传统纳米颗粒。这类单原子催化剂上的每个原子都充当暴露的活性位点，几乎不浪费金属。它们锚定于碳、金属氧化物、金属有机框架或层状材料等支撑体上，位于经过精确调控的环境中，从而塑造它们与CO2及反应中间体的相互作用。作者描述了两大家族的合成方法：“自下而上”通过小构件生长催化剂，以及“自上而下”将较大结构打散为原子级分散位点。诸如原子层沉积、热解、湿化学、球磨、蒸气沉积和电沉积等技术在防止原子团聚同时保持其牢固结合支撑方面进行了比较。

微调原子周边环境

除了简单制造单原子催化剂外，科学家还在学习通过调整其局部环境来挤出更好性能。一种做法是配对两个相邻金属原子，或甚至两种不同金属，使它们能够分担任务：一种金属活化CO2，另一种帮助释放期望产物。另一种策略是调节直接与金属配位的原子，如氮、硫或硼，或在邻近结构中引入受控缺陷和空位。这些微妙变化会改变电子的分布，从而改变关键中间体与表面的吸附强度。结果可能在催化剂生成目标产物的效率上带来巨大提升，无论目标是像一氧化碳这样的简单气体，还是像乙烯和乙醇这样的富含碳—碳偶联产物。

为单原子打造更好的“家园”

承载单原子的支撑材料也极为重要。多孔碳网络、晶体框架、金属氧化物和二维材料各自为气体流动和电子传输提供不同途径。通过开凿微孔、介孔和大孔网络，研究人员改善了CO2与产物向活性位点的传输方式，从而提升电流和选择性。一些设计采用空心球或泡沫状结构以缩短传输距离，另一些则依赖金属原子与支撑体之间的强键合以抵抗运行中团聚。对传质和电导的精细工程至关重要，若要让这些催化剂在例如气体供给流动电池等在工业相关电流密度下运行的实际装置中发挥作用。

从实验室概念到真实装置

结语中，作者强调了单原子催化剂用于CO2转化的前景与障碍。该领域在理解原子结构、缺陷和支撑如何影响性能方面取得了令人瞩目的进展，一些体系现已实现高选择性和大电流。但仍存在挑战，包括制备多碳产物的选择有限、难以精确控制缺陷类型、高负载下原子团聚的倾向，以及需要能够稳定高效运行数千小时的反应器。未来的进展将依赖于对工作中催化剂的更好原位探测以及可快速筛选新设计的机器学习工具。对非专业读者而言，信息很明确：通过掌握单原子层面的化学，科学家正为将废弃CO2和绿色电力转化为有用燃料和化学品的装置奠定基础。

引用: Tian, J., Guo, M., Zhu, M. et al. Synergistic strategies for advancing single-atom catalysts in CO₂ electroreduction. NPG Asia Mater 18, 18 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00643-w

关键词: 单原子催化剂, CO2电还原, 电催化, 碳利用, 可再生燃料