近日，化材学院李和兴教授/蒋波教授团队和上海交通大学汪圣尧副教授在电催化CO2还原制甲烷研究中取得重要进展，相关成果以“Steering Hydrogenation Pathways via Construction of Multivalence Cu Electrocatalysts for Boosting Electrocatalytic CO2 Reduction to CH4”为题，发表在《Journal of the American Chemical Society》。
电催化CO2还原为CH4是实现碳资源循环利用和构建低碳能源体系的重要途径。然而，CO2到CH4的转化涉及多电子、多质子耦合过程，反应动力学缓慢，且在高电流密度下，质子供给不足或析氢反应竞争加剧，导致CH4选择性和生成效率难以兼顾。传统策略多集中于调控催化剂对CO2或关键中间体的吸附，但对加氢路径本身的精准调控仍然不足。
研究团队构筑多价态Cu双活性位点负载于Al–MgO上的多价态铜基催化剂：M-Cu/Al-MgO，其中Cu(I)单原子位点优先促进H2O解离并生成活性氢（•H），而Cu(0)纳米颗粒位点主要负责CO2的吸附与活化。生成的活性氢可迁移至相邻Cu(0)位点，促进*CO向*CHO的关键加氢步骤，从而将传统的质子耦合电子转移路径转变为更有利的活性氢转移路径。原位表征和DFT计算表明，Cu(I）位点能够显著降低H2O解离能垒，而Cu(0)位点有利于CO2活化，二者协同加速CO2向CH4的转化过程。在1.0 M KCl中性电解液和流动电解池条件下，实现了约93.5%的CH4法拉第效率（350 mA cm-2）。该工作证明，通过构筑多价态Cu双活性位点调控加氢路径，可以有效提升CO2电还原制CH4的反应动力学和产物选择性，为高效CO2电催化转化催化剂的合理设计提供了新思路。
该工作得到了国家自然科学基金、上海市地方政府基金、太阳官网教育部资源化学重点实验室、资源化学国际合作联合实验室、上海市稀土功能材料重点实验室、上海市仿生催化前沿太阳集团基地、111引智基地以及上海绿色能源化工工程技术研究中心等项目和平台的资金支持。