将CO₂高效电还原为多碳产物是一项具有挑战性的研究，因为CO₂活化和C–C耦合具有极高的能量垒。研究表明，可以通过设计催化剂的金属中心和配位环境进行调整。

有鉴于此，大连理工大学全燮教授，哥伦比亚大学陈经广教授报道了将原子分散的Cu锚固在N掺杂的多孔碳（Cu-SA/NPC）上，并进行了CO₂电化学还原性能的研究。Cu-SA/NPC 可以低过电位将CO₂还原为乙酸，乙醇和丙酮产品，其中丙酮为主要化学品。

文章要点

1）研究人员通过水热合成掺杂Cu的ZIF-8和随后的前体在N2气氛下于1000°C的碳化这两个连续的过程合成了Cu-SA/NPC。XPS表征显示。NPC仅显示C，N和O元素的信号，而Cu-SA/NPC则显示一个小的Cu峰，表明Cu已成功地掺入到制备的材料中。ICP-AES显示，Cu含量约0.59 wt％。Cu-SA / NPC的XRD图谱显示了两个宽的衍射峰，分别位于23°和44°，分别对应于碳的（002）和（101）面。没有观察到与Cu有关的晶相，这可能是由于Cu种类的低负载量引起的。SEM和TEM图像显示，Cu-SA/NPC保留了原始ZIF前体的菱形十二面体形态，同时具有粗糙的表面。值得注意的是，在Cu-SA / NPC催化剂的SEM和TEM图像中未观察到Cu纳米颗粒或大簇。HAADF-STEM证实了Cu-SA/NPC上存在Cu，并由于具有原子分散的Cu，因此清楚地显示了亮点的存在。经测量，Cu的粒径约0.1 nm，表明Cu-SA / NPC催化剂上存在具有原子级尺寸的Cu。此外，STEM图像中的能量色散X射线光谱（EDS）映射分析证实了Cu-SA / NPC中Cu，N和C物种的均匀分散，表明Cu原子是均匀分布在掺氮碳材料上。根据HAADF-STEM和EXAFS的综合结果，Cu原子是原子分散的，并且在Cu-SA/NPC 中与N原子四重配位。

2）Cu-SA/NPC 可以低过电位将CO₂电催化还原为丙酮，其法拉第效率为36.7％，产率为336.1 μgh^-1。密度泛函理论（DFT）计算表明，铜与四个吡咯N原子的配位是主要的活性位点，并减少了CO₂活化和C–C偶联所需的反应自由能。阐明了Cu-SA/NPC的活性位点以及CO₂活化，CC偶联和CO₂还原形成丙酮的机理。

这项工作为有效设计用于将CO₂还原为多碳产物的高效电催化剂的合理设计提供了见解。

Zhao, K., Nie, X., Wang, H. et al. Selective electroreduction of CO₂ to acetone by single copper atoms anchored on N-doped porous carbon. Nat Commun 11, 2455 (2020).

DOI：10.1038/s41467-020-16381-8

https://doi.org/10.1038/s41467-020-16381-8