单分子集成催化电极的低成本、宏量制备

第一作者：韩淑果#，汪三妹#

通讯作者：马冬冬*，朱起龙*

通讯单位：中国科学院福建物质结构研究所

电化学二氧化碳（CO₂）转化被视为绿色能源转型的核心技术之一。然而，传统CO₂电转化技术不仅受限于电极制备工艺复杂、成本高昂，还面临阳极反应效率低、产物附加值弱等难题。近日，来自中国科学院福建物质结构研究所的朱起龙研究员和马冬冬副研究员等人在国际期刊《ACS Nano》上发表研究成果，报道了一种米级单分子集成催化电极的一体化制备技术。该电极制备工艺具有成本低廉、操作简便、易于规模化放大等突出优势，所制备的电极材料表现出优异的批次一致性和良好的可扩展性。实验结果表明，该电极在宽pH范围（碱性、中性及酸性）条件下均能稳定运行CO₂电还原反应，在百毫安级电流密度下保持接近100%的CO法拉第效率，展现出优越的电催化性能。同时，同过阳极集成高附加值电氧化反应同步转化有机小分子，为工业级CO₂电转化系统提供了“阴阳双赢”的解决方案！

针对传统粉末状催化剂在工作电极制备中面临的繁琐涂覆、粘结剂依赖、尺寸受限（厘米级）等挑战。本团队受自然界中非共价键组装的启发，利用π-π异质堆积相互作用，将平面大共轭的酞菁分子以单分子形式直接锚定在高石墨化的柔性石墨毡（GF）表面。该制备方法兼具低成本与规模化生产优势，所制得的催化电极具有以下显著特点：1）独特的无粘结剂结构设计，有效避免了传统电极中粘结剂对活性位点的覆盖；2）三维开放结构确保活性位点充分暴露；3）微环境可精准调控，可根据不同反应体系需求进行优化设计；4）具有优异的传质与电荷传输性能，大幅提升了电极的反应动力学特性（图1）。通过一系列光谱和电镜技术证实了该单分子集成催化电极的微观结构和宏观形貌（图2），为其电催化应用奠定了材料基础。

图1. 单分子集成催化电极的设计理念及优点。

图2. 单分子集成催化电极的表征（以4-Ts₂-CoPc/GF为例）。

要点二：一箭双雕——单分子集成催化电极驱动的成对电合成反应

值得一提的是，该方法仅需3分钟即可完成米级单分子集成催化电极的一体化构筑（图3），有望在未来结合数控连续生产系统实现单分子集成催化电极的规模制备。此外，我们还考察了酞菁种类、碳纤维种类、评估系统等因素，证实了该方法的普适性，夯实了形成产线技术的实验基础。以噻吩功能化的4-Ts₂-CoPc/GF为例，其在电催化CO₂还原中显示出有良好的性能一致性和高的TOF值（在−1.07 V 的电位下达137,600 h⁻¹）。针对阳极缓慢的析氧反应（OER），该单分子集成催化电极（4-Ts₂-CoPc/GF）可进一步耦合抗坏血酸氧化反应（AAOR），在阳极同步生成医用原料脱氢抗坏血酸（DHA），为具有“高电子经济效益”的电催化系统设计提供了科学参考。

图3. 单分子集成催化电极的米级制备及电催化应用。

要点三：丝析发解——从电极构筑到电转化系统的全链条评估

从普通电极到气体扩散电极、从高纯水到自来水、从H型电解池到液流电解池，本研究发展的单分子集成催化电极均凸显了良好的适用性，有望在未来结合自来水厂并适配工业废气（如来自钢厂、化工厂的酸性CO₂）的直接电解，特别是整合双极产物的纯化，开辟“节能减排+增值转化”的应用新模式（图4），实现分布式绿色化工生产。

图4. 单分子集成催化电极整合的节能增值模型及经济分析。

Low-Cost, Facile, and Scalable Manufacturing of Single-Molecule-Integrated Catalytic Electrodes, ACS Nano 2025, 19(11), 11273-11283.

朱起龙简介：研究员，博士生导师，课题组长，英国皇家化学会会士，国家级海外高层次人才。长期从事能源催化材料及电催化与电合成应用研究。迄今，以第一/通讯作者身份在Nat. Rev. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Chem、JACS、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem.、Nat. Commun.、CCS Chem.等国际知名期刊上发表论文160余篇，影响因子IF>10论文100余篇。论文引用17000多次，H指数64，其中30多篇入选ESI高被引（top 1%）或ESI热点（top 0.1%）论文。出版专著1本，专章3章。授权发明专利11项。曾获国家海外高层次人才计划、英国皇家化学会会士（FRSC）、中国科学院引才计划、福建省百人计划、江西省双千计划创新领军人才、福建省杰青项目、福建省首批青年人才托举工程、Wiley中国开放科学高贡献作者奖、纳米研究青年创新者奖、日本学术振兴会（JSPS）基金等，并入选全球前2%顶尖科学家“年度科学影响力”（2019-2024）和“终身科学影响力”（2021-2024）榜单、爱思唯尔（Elsevier）“中国高被引学者”（2022-2024）和科睿唯安（Clarivate Analytics）“全球高被引科学家”（2022-2024）等。