南开大学刘明阳课题组联手清华王定胜Angew：双单原子催化剂突破CO₂电还原瓶颈，法拉第效率达98.5%！

第一作者：杨杨

通讯作者：刘明阳*，王定胜*，温景红*

单位：南开大学、清华大学、聊城大学

电催化CO₂还原（CO₂RR）是实现碳中和的关键技术之一，但其工业化应用受限于竞争性析氢反应（HER）和中间体过度稳定化等难题。传统单原子催化剂（SACs）虽能提高金属利用率，但孤立活性位点难以协同调控多步反应路径。双单原子催化剂（DSACs）通过双金属位点协同作用，可优化中间体吸附能并拓宽反应窗口，为CO₂RR性能突破提供了新思路。

南开大学刘明阳、清华大学王定胜及合作团队在《Angewandte Chemie International Edition》发表题为“Electronic Structure Tuning in Cu–Co Dual Single Atom Catalysts for Enhanced COOH* Spillover and Electrocatalytic CO₂ Reduction Activity”的研究论文。该工作通过可扩展热解法合成碳黑负载的Cu-Co双单原子催化剂（CuCo-DSAC），在工业级电流密度（500 mA cm^⁻2）下实现98.5%的CO法拉第效率，并保持48小时稳定性（衰减<6%）。结合原位光谱与理论计算，揭示了Co位点活化CO₂并稳定*COOH中间体、Cu位点促进CO脱附的协同机制，为设计高效CO₂RR催化剂提供了新范式。

图1. 原位表征结果和反应机制示意图。

CuCo-DSAC的卓越性能源于Cu与Co位点在电子结构和空间分布上的协同调控。通过XAFS与XPS表征，Co原子以+2氧化态锚定于六配位Co-N₆位点，而Cu原子则以低氧化态（0 < δ < +2）嵌入四配位Cu-N₄构型。DFT计算表明，Co位点通过其适中的d带中心优先吸附并活化CO₂分子，显著降低COOH中间体形成能垒，这一过程通过原位ATR-SEIRAS光谱中增强的COOH信号得到实验验证。与此同时，相邻的Cu位点通过电荷再分配，削弱CO吸附强度，促进CO快速脱附。这种“Co活化-Cu脱附“的动态溢流机制有效缓解了传统单原子催化剂中因中间体过度积累导致的活性位点阻塞问题。此外，Cu的电子调制作用协同抑制了竞争性HER反应，从而在宽达400 mV的电位窗口内维持>95%的CO选择性。这种双位点协同机制为多步电催化反应提供了全新的动态缓冲系统设计范式。

要点二：工业级性能突破：高电流密度与规模化制备的协同实现

CuCo-DSAC在工业级电解条件下展现出突破性性能。在流动池中，催化剂于-0.66 V（vs. RHE）下实现500 mA cm^⁻2的CO部分电流密度，CO法拉第效率达98.5%，且选择性在-0.1至-0.5 V范围内稳定>95%。这一性能超越多数贵金属基催化剂（如Au、Ag纳米颗粒），归因于双金属原子级分散带来的高本征活性及碳黑载体优化的传质路径。稳定性测试显示，48小时连续运行后CO选择性衰减<6%，HAADF-STEM与EDS映射证实金属位点仍保持原子级分散，仅局部出现微量团簇。规模化生产方面，通过调控前驱体比例与热解动力学，单批次合成量可达10.3 g，实验室与批量样品性能偏差<8%（电流密度）和<5%（FE），表明其工艺可扩展性。这些特性使CuCo-DSAC成为目前报道中少数兼具高活性、稳定性与工业化潜力的CO₂RR催化剂体系。

要点三：原位光谱与理论验证：多尺度揭示动态催化本质

研究通过多尺度表征与理论模拟深度解析了CuCo-DSAC的动态催化机制。原位SERS光谱和ATR-SEIRAS证实Co位点主导CO₂活化，Cu位点促进*COOH中间体溢流。DFT计算揭示Cu-Co电子相互作用优化d带中心，平衡中间体吸附强度。这些多尺度证据不仅验证了双位点协同机制，更为理性设计自适应催化剂提供了理论框架。

要点四：结论

本研究通过精准的原子级结构设计、系统的原位表征与跨尺度理论模拟，揭示了双单原子催化剂在CO₂电还原中的动态协同机制，突破了传统催化剂在活性、选择性及稳定性间的权衡瓶颈，为工业化电化学碳中和技术提供了重要参考。

Electronic Structure Tuning in Cu–Co Dual Single Atom Catalysts for Enhanced COOH* Spillover and Electrocatalytic CO₂ Reduction Activity

王定胜教授简介：王定胜，清华大学化学系教授、博士生导师。2000.09－2004.07，中国科学技术大学化学物理系，学士；2004.09－2009.07，清华大学化学系，博士；2009.07－2012.06，清华大学物理系，博士后；2012.07－2012.12，清华大学化学系，讲师；2012.12－2023.12，清华大学化学系，副教授；2023.12—至今，清华大学化学系，教授。

研究领域：纳米材料制备与性能；金属纳米催化。

奖励与荣誉：2023年获国家杰出青年基金；2013年获国家优秀青年基金；2012年获全国百篇优秀博士论文奖。发表Nature、Nature Chem.、Nature Nanotech.、Nature Catal.、Nature Synth.、Nature Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等学术论文200余篇。2020~2024连续五年入选全球高被引科学家。