关于稳定 Cu2+ 活性位点的原位洞察，以实现高效电化学 CO2 转化为 C2H4

把气候问题变成有用的原料

二氧化碳是驱动气候变化的主要温室气体，但它也是一种廉价且丰富的碳源。化学家和工程师正竞相寻找方法，利用清洁电力而非化石燃料将 CO2 转化为日常产品。本研究报道了一种新型铜基材料，可将 CO2 高效且长期稳定地转化为乙烯——乙烯是塑料和许多化学品的重要原料——使把 CO2 回收为有价值商品的设想更接近实际应用。

为何乙烯至关重要

乙烯是世界上产量最大的化学品之一，用于制造塑料、溶剂和无数消费品。如今它几乎完全由石油和天然气制得，过程中排放大量 CO2。如果我们能用可再生电力直接从 CO2 制备乙烯，就可以既减少排放又实现碳闭环。铜是少数能够将 CO2 推向多碳分子（如乙烯）的元素之一，但传统铜表面在工作条件下往往会重构并改变化学态，从而降低选择性并缩短使用寿命。

为活性铜设计一个稳定的“家”

作者通过构筑一种金属–有机聚合物——称为 CuBBTA——来解决这一问题，其中铜离子被固定在由有机分子苯并双三唑（benzobistriazole）构成的重复骨架中。在该结构中，铜原子保持较高的氧化态（Cu2+），并以明确的距离排列，通过氮原子和桥联羟基相连。利用 X 射线衍射、电子显微镜和先进光谱学的详细结构研究证实，铜原子呈孤立但周期性排列，形成类似二维的网络，暴露出大量间距精确的铜位点以与反应中的 CO2 接触。

在实际器件中的强劲表现

在流动液体电池和基于膜的电解槽（更接近工业装置的配置）中测试时，CuBBTA 展现出令人印象深刻的性能。在碱性溶液中，它将 CO2 转化为乙烯的法拉第效率约为 62%，意味着近三分之二的电流用于生成乙烯而非副产物。该材料在乙烯生产上也达到了较高的能量转换效率，并在接近 1 安培的电流下持续运行超过 50 小时，同时保持乙烯选择性在 55–60% 以上。反应后成像和光谱分析显示，整体结构和铜位点的分布基本未发生变化，这与许多发生分解或团聚成更大粒子的铜催化剂不同。

实时观察原子的工作方式

为了解 CuBBTA 稳定且高选择性的原因，团队使用了若干“原位（operando）”技术，在材料实际转换 CO2 的过程中对其进行探测。X 射线吸收测量表明，铜离子在宽电位范围内保持 Cu2+ 态，未见金属铜簇生成的迹象。拉曼光谱和红外测量确认有机骨架与铜–配体键保持完整。表面吸附分子的红外光谱结合在线质谱表明，聚合物中相邻铜位点有利于形成一个关键的配对中间体，常记为 *COCHO，该中间体是在相邻位点上两个由 CO2 衍生的小片段偶联时产生的。量子力学计算支持这一图景，表明固定的位点间距和对 Cu2+ 的强烈配位相比传统金属铜表面降低了形成 C–C 键这一步的能垒。

这如何推进 CO2 回收进程

通俗地讲，CuBBTA 的作用类似一个组织良好的装配线：CO2 分子到达，在各个铜站点被部分还原，然后两个片段在相邻站点相遇，形成乙烯的两碳骨架。由于铜离子被牢牢固定并在过于苛刻的局部条件下受到保护，装配线能持续平稳运行而设备不至于破损。该研究表明，精心设计的铜–有机框架既能稳定最有效的铜形式，又能将活性位点安排在恰当的距离以促进碳–碳偶联。这一策略为开发更耐久、更高效的装置提供了路径，以使用可再生电力将废弃 CO2 转化为有价值的化学品。

引用: Zhang, Z., Xu, Q., Han, J. et al. Operando insights on stable Cu²⁺ active sites for efficient electrochemical CO₂-to-C₂H₄ conversion. Nat Commun 17, 2654 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70442-y

关键词: 电化学 CO2 还原, 铜催化剂, 乙烯生产, 金属有机聚合物, 碳利用