研究背景
電化學CO還原反應（CORR）因其在可持續生產高附加值多碳產品（如醋酸）方面的潛力而引起了大量研究關注。然而，目前大多數CORR催化劑存在醋酸電流密度低、穩定性差和醋酸選擇性有限的問題。在此，廈門大學陳南君、黃小青團隊在“Nature Nanotechnology”期刊上發表了題為“Zeolite-confined Cu single-atom clusters stably catalyse CO to acetate at 1?A?cm?2 beyond 1,000?h”的最新論文。他們提出了一種沸石Mobil（ZSM）封閉的銅單原子簇（CuZSM SACL）用于CORR，其中銅單原子（Cu SAs）通過穩固的Cu–O–Si鍵化學錨定，而銅簇（Cu CLs）則被物理地限制于沸石孔道內。因此，CuZSM SACL基膜電極組件在大氣壓下展現出卓越的CO到醋酸的電流密度（1.8?A?cm?2），并具有高達71±3%的醋酸法拉第效率。更重要的是，作者展示了該基于銅的膜電極組件能夠在2.7?V下以工業級電流密度1?A?cm?2穩定催化CO到醋酸，且持續超過1000小時（法拉第效率61±5%）。這一里程碑為銅基催化劑在實際CORR應用中的高性能提供了新的方向。
研究亮點
1.實驗首次提出了沸石Mobil封閉的銅單原子簇（CuZSM SACL）作為催化劑用于電化學CO還原反應（CORR）。該催化劑結構中，銅單原子通過穩固的Cu–O–Si鍵被化學錨定，而銅簇則被物理限制于沸石孔道內。2.實驗通過銅單原子簇和銅簇的協同作用，提高了CO還原至醋酸的性能：CuZSM SACL催化劑展現出了顯著的CORR性能，達到了1.8?A?cm?2的CO到醋酸的電流密度，并且醋酸的法拉第效率為71±3%。這種催化劑結構有效避免了銅簇的聚集和生長，從而提升了催化效率和穩定性。3.實驗展示了CuZSM SACL基膜電極組件的長時間穩定性：該基膜電極組件在2.7V下以1?A?cm?2的工業級電流密度穩定催化CO到醋酸，且在大氣壓下持續超過1000小時，法拉第效率保持在61±5%。這一實驗結果表明，CuZSM SACL在實際應用中的巨大潛力，能夠為電化學醋酸生產提供新的技術途徑。 4.機制研究通過對催化劑的結構和性能的研究，本文進一步探討了銅單原子和銅簇的協同作用機制，揭示了這一結構如何有效地促進不對稱C–C偶聯反應，進而提高了CO還原反應的效率和穩定性。
圖文解讀
圖 1：催化劑的結構表征
總結展望
本研究提出了一種沸石封閉銅策略，用于創造高性能的CuZSM單原子簇（CuZSM SACL）催化劑用于CO還原反應（CORR）。機制研究和計算分析表明，銅單原子（SA）和銅簇（CL）之間的協同作用能夠促進二聚反應并穩定*CH2–CO中間體，從而增強醋酸的產率。此外，沸石孔道內穩固的Cu–O–Si鍵顯著提高了銅單原子的穩定性，而沸石孔道的限制效應有效地抑制了銅簇在CORR過程中生長和聚集。因此，基于CuZSM SACL的膜電極組件（MEA）實現了出色的CO到醋酸的電流密度（高達1.8?A?cm?2），并具有71±3%的高醋酸法拉第效率。更重要的是，作者展示了該基于銅的MEA能夠在2.7V下以1?A?cm?2的工業級電流密度穩定催化CO到醋酸，且在大氣壓下持續超過1000小時，法拉第效率為61±5%。CuZSM SACL在高電流密度下的卓越MEA穩定性超越了迄今為止所有先進的CORR催化劑。這一里程碑為銅基催化劑在堿性CORR電解槽中的實際應用提供了重要的技術突破。Wen, Y., Zhan, C., Liu, J. et al. Zeolite-confined Cu single-atom clusters stably catalyse CO to acetate at 1?A?cm?2 beyond 1,000?h. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-01892-6
