近日，国家纳米科学中心赵慎龙课题组在二氧化碳电还原制乙烯催化剂结构设计与机理研究方面取得重要进展，相关成果相继发表于《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed., 2026, e7848056）和《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater., 2026, e76043）。
在“双碳”战略背景下，将二氧化碳转化为高附加值化学品是实现碳资源循环利用和低碳化工制造的重要技术路径。乙烯是现代化学工业中最重要的大宗化学品之一，广泛应用于聚合物、纤维及多种精细化学品生产。目前工业乙烯主要依赖化石烃高温蒸汽裂解制备，该过程能耗高、碳排放强度大。相比之下，利用可再生电力驱动二氧化碳电还原反应合成乙烯，有望实现“二氧化碳资源化利用—绿色化学品制造”的耦合发展。然而，二氧化碳电还原制乙烯涉及复杂的质子耦合电子转移、多碳偶联及竞争析氢反应，如何精准调控铜基催化剂在反应过程中的动态重构行为以及关键中间体在催化剂表面的吸附构型，仍是提升乙烯选择性和稳定性的关键挑战。
针对以上问题，赵慎龙课题组依托国家能源集团低碳清洁能源研究院企业委托科研项目，联合美国特拉华大学提出了晶体取向熵调控策略，并结合机器学习筛选和可控工艺制备，构筑了低、中、高取向熵的Cu2O催化剂。机制研究表明，中等取向熵诱导Cu2O在反应过程中形成近八配位的Cu0.4+衍生铜活性位点，优化了C–C偶联与加氢反应之间的动力学平衡，并促进关键*CO–*COH中间体生成，从而实现高效二氧化碳电还原制乙烯。该催化剂在400 mA cm-2电流密度下的乙烯法拉第效率达到75%，并可稳定运行超过80 h。初步技术经济分析和生命周期评价表明，该中熵Cu2O二氧化碳电催化体系，相较传统乙烯生产路线具有潜在经济优势和环境优势。相关成果以“Orientation-Entropy-Mediated Derivative Cu Sites for Selective CO2 Electroreduction to Ethylene”为题发表在《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed., 2026, e7848056）。国家纳米科学中心赵慎龙研究员、国家能源集团低碳清洁能源研究院熊日华博士和美国特拉华大学杨飘萍博士为论文通讯作者。国家能源集团低碳清洁能源研究院佟振伟和国家纳米科学中心张树聪为论文共同第一作者。
同时，课题组基于金属有机框架体系提出了一种结构不对称调控策略，实现了Cu位点上碳氧中间体吸附构型的精准调节。原位光谱表征和理论计算表明，不对称结构诱导Cu位点产生局域电子各向异性，使*CO吸附由顶端构型转变为桥式构型，从而大幅降低C–C偶联和C2产物脱附的能垒，最终540 mA cm-2电流密度下实现了93.1%的C2产物法拉第效率，并能够连续稳定运行超过100 h。相关成果以“Structural Asymmetric Regulation in Metal-Organic Frameworks for Efficient Electrocatalytic CO2 to C2 Products”为题发表在《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater., 2026, e76043）。国家纳米科学中心赵慎龙研究员与北京工业大学胡宇翔教授为论文通讯作者，国家纳米科学中心联合培养硕士生高莺莺为论文第一作者。
以上研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金和国家能源集团科技研发项目等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.7848056
