通过席夫碱网络的协同表面改性提升铜在CO2还原生成C2H4中的高选择性与耐久性

将温室气体转化为有用燃料

来自工厂和发电厂的二氧化碳是气候变化的主要驱动因素，但它同时也是一种富含碳的资源。本研究探索如何利用电能和专门设计的铜基催化剂将CO2转化为乙烯——一种用于塑料和众多日常产品的重要化工单元。目标是使该过程更高效、选择性更强（尽可能生成乙烯而非副产物），并具有足够的耐久性以在实际装置中长时间运行。

为什么从CO2制取乙烯很重要

目前乙烯主要来自石油和天然气，在高能耗且碳密集的工厂中生产。如果我们能够使用可再生电力直接从CO2制取乙烯，就可以一方面回收温室气体，另一方面减少对化石燃料的依赖。铜是少数能将反应引导向多碳产物（如乙烯）的材料之一，但铜表面往往会生成多种产物，并且在所需的苛刻条件下容易退化。提高选择性和使用寿命是这项技术从实验室走向工业化的关键。

设计更聪明的铜表面

研究人员制备了三种形状的微小铜颗粒：立方体、球体和四面体（带三角面的金字塔）。每种形状向反应分子呈现不同的原子“晶面”，这会显著影响产物分布。随后他们在这些颗粒表面包覆了一层富含氮的有机涂层——席夫碱网络。该网络在铜表面形成多孔外壳，能够富集CO2并在不完全阻挡金属的情况下与其发生电子相互作用。测试显示，以特定晶面(200)为主的立方形颗粒为生成乙烯提供了最佳起点。

提升性能并保持催化剂完整

当铜立方体被席夫碱网络包覆后，其性能显著提升。在工业相关的电流密度下，经改性的立方体将CO2电还原为乙烯的法拉第效率约为71%，使其位列已报道的优异铜基体系之列。该有机网络不仅在活性位点附近富集CO2，还改变了铜与氮原子之间的电子分布，有助于稳定表面关键反应中间体。与此同时，涂层使催化剂表现出轻微的疏水性，减少了不必要的产氢并减缓了铜的腐蚀。

观察原子迁移并追踪反应步骤

为了解为何包覆催化剂寿命更长，团队在反应进行中使用了先进的电子显微镜。裸铜立方体很快腐蚀并失去其清晰形貌，而被包覆的立方体只发生轻微变化，能在更长时间内保持有利的晶面。事前与事后在相同位置的成像进一步证实了席夫碱网络像保护铠甲一样发挥作用。与此同时，红外光谱跟踪了短寿命的表面物种，揭示出涂层促进了含碳中间体的累积，这些中间体能够配对形成碳–碳键——这是通向乙烯的关键步骤。计算机模拟支持这些发现，显示有机外壳调节了反应的能量景观，使生成并释放乙烯比生成甲烷、一氧化碳或氢气等竞争产物更容易。

对未来清洁化学的意义

简而言之，这项工作表明通过精确控制铜纳米粒子的形貌并用智能、多孔的有机网络包覆它们，可以使CO2向乙烯的转化既更高效又更稳定。被包覆的铜立方体在引导反应生成乙烯的同时，能在日级运行中抵抗结构损伤。尽管在这些催化剂进入商业装置之前仍需进一步工程化，但该研究提供了明确的蓝图：将对金属形状的控制与定制分子涂层相结合，利用可再生电力将加剧气候变暖的CO2转化为有价值的化学品。

引用: Xie, W., Tian, T., Yue, S. et al. Synergistic surface modification of Cu with schiff-base networks for high selectivity and durability in CO₂-to-C₂H₄ electroreduction. Nat Commun 17, 3968 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70595-w

关键词: CO2 电还原, 铜催化剂, 乙烯生成, 席夫碱网络, 碳利用