在低配位单原子催化剂上实现近乎单位的CO2到乙烯光转换

把温室气体变成有用燃料

二氧化碳通常被视为气候变化的元凶，但如果我们能仅用阳光和简单材料把这种废气转化为有价值的燃料呢？这项研究展示了如何通过精心布置固体中的单个金属原子，制造出太阳能驱动的反应器，将二氧化碳转化为乙烯——塑料和化学品的重要构件——且效率几乎接近完美。

为何乙烯与日常生活息息相关

乙烯是全球最重要的工业分子之一，支撑着塑料、溶剂和许多日用产品的生产。如今乙烯主要由化石燃料在高温下制得，释放大量二氧化碳。若能以二氧化碳为原料并以阳光为能量来源的工艺，则既能减少排放，又能回收这一主要温室气体。挑战在于，将二氧化碳转为像乙烯这样的多碳产物要比制备一碳产物（如一氧化碳或甲烷）困难得多，因为这要求两个碳片段在催化剂表面以恰当方式相遇并成键。

一种新型原子级调控的表面

研究人员用一类称为金属硫化物的材料来解决这一问题。单独存在时，这些材料往往对活性碳片段的吸附太弱，使得片段在配对之前就脱离表面。团队通过向硫化锌中插入孤立的锰原子并有意去除其附近的硫原子，重新设计了材料，形成他们所称的低配位锰单原子位。在这些位点，锰原子与比通常更少的邻居相连，并紧邻微小的硫空位，从而微妙地重塑了局部电子结构。

催化剂如何抓取并连接碳

通过计算机模拟和在反应进行时的原位红外测量，作者表明这些特殊的锰位比普通硫化锌对关键碳基中间体的吸附更强且更具选择性。特别是，表面对一氧化碳片段及其氢化衍生物的抓持既恰到好处——足以将它们固定在位，但又不至于把它们束缚得无法移动或反应。这样的平衡允许一个片段部分氢化成*CHO物种，然后与邻近的*CO片段不对称耦合，形成*COCHO单元，这是通向乙烯的关键二碳中间步骤。

阳光输入，清洁燃料输出

在无任何助剂的水相模拟阳光照射下测试时，优化后的掺锰硫化锌表现出惊人的乙烯产出性能：碳基气体产物中有99.1%为乙烯，产率几乎是普通硫化锌的59倍。诸如产氢或生成简单一碳产物等竞争反应被大幅抑制。该催化剂在连续运行超过200小时后仍保持稳定，且使用其他金属构建的类似低配位设计也能提升乙烯产量，表明这一设计原则具有广泛适用性。

对碳智未来的意义

简而言之，这项研究表明，通过有意“打破平衡”地改变单个金属原子在固体中的配位环境，可以显著改变该表面对二氧化碳的处理方式。通过让锰原子拥有更少的邻居并在附近留出空位，研究者创造了有利于将碳原子连接成乙烯而非形成更简单、用途较小分子的微小反应热点。尽管要将此类光催化剂放大到工业规模仍需进一步进展，但这种原子级工程为未来将废弃二氧化碳和水转化为有价值多碳燃料和化学品的太阳能炼厂指明了有前景的路径。

引用: Tang, Z., Wang, Y., Qin, T. et al. Near-unity CO₂-to-ethylene photoconversion over low coordination single-atom catalysts. Nat Commun 17, 2081 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68830-5

关键词: CO2 转化, 光催化, 单原子催化剂, 乙烯燃料, 太阳能燃料