目前，含氧化合物（如乙醇、丙醇、乙酸等）的工业生产主要依赖于基于谷物的发酵和基于化石燃料的热转化反应。然而，这些传统方法面临严重的可持续性挑战，难以满足绿色化学品生产对低碳排放和经济性的需求。以CO和H2O为原料，通过电化学方法合成含氧化合物是一种颇具潜力的可持续替代方案，但该工艺在工业级电流密度下仍面临严峻的挑战：如选择性和活性之间的相互制约、竞争性析氢反应、以及优先生成气体副产物乙烯的动力学瓶颈。
针对这些关键瓶颈，新加坡国立大学Loh Kian Ping教授团队联合天津大学杨全红教授团队、张兵教授团队，以及四川大学Li Hongjiao教授等，分别通过铜基合金催化剂的协同催化与（CuZn）串联催化（CuAg）策略，开发了两种高效催化体系，实现了CO到多碳醇和含氧化合物的选择性电还原，并显著提升了工业电流密度下的法拉第效率和单程碳效率。
研究要点1：铜锌合金协同催化助力一氧化碳电还原合成多碳醇
催化剂设计：CuZn合金催化剂利用Zn向Cu的氢溢流效应，有效缓解了高电流密度下CO富集与活性氢利用的矛盾。Zn的引入不仅显著增强了Cu位点的CO吸附能力，还通过提供溢流氢，与Cu协同作用，有效提升了醇类生成的选择性。
电催化性能：在1.1 A cm-2的工业级电流密度下，该催化剂实现了多碳醇50%的法拉第效率，同时CO电还原单程碳效率达到74%，并进行了经济技术分析。
机理验证：通过CO电化学脱附实验和原位拉曼光谱，研究团队验证了CuZn合金催化剂中Cu位点的CO捕获能力显著增强。此外，原位拉曼和电子顺磁共振（EPR）实验证明了溢流氢从Zn迁移至Cu的过程。密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示了Zn合金化对Cu的CO吸附能力增强及活性氢迁移的机制，明确了其协同促进多碳醇生成的作用。
研究要点2：铜银串联催化助力一氧化碳电还原合成含氧化合物
催化剂设计：该工作通过电化学表征（线性伏安扫描、CO电脱附实验），揭示了在电场驱动下，Ag在液相中对CO的强吸附能力。提出了银吸附CO并转化为*COH（*CHO），随后快速地转移到铜上以进一步反应生成含氧化合物的机制。
电催化性能：电化学还原CO制含氧化合物的法拉第效率可在1200 mA cm-2的电流密度下达到67 %，对应于800 mA cm-2的含氧化合物部分电流密度。CO的单程碳利用率在800 mA cm-2的电流密度下达到55.5%，并进行了经济技术分析。
机理验证：通过原位同步辐射、原位拉曼、在线差分电化学质谱证实了在Ag上产生了*COH（*CHO）中间体，随后转移到铜上完成串联反应。*COH（*CHO）在铜上的富集实现了含氧化合物电合成的高部分电流密度和高选择性。该工作还通过AIMD模拟了*COH（*CHO）从银转移到铜的过程，辅助证明了中间体转移过程。
文献链接
Zhitan Wu, Nannan Meng*, Rong Yang, Maoxin Chen, Jinhui Pan, Sijia Chi, Chao Wu, Shibo Xi, Yuan Liu, Yingqing Ou, Wenya Wu, Shuhe Han, Bin Zhang*, Quan-Hong Yang*, and Kian Ping Loh*, Boosting C2+ Alcohols Selectivity and Activity in High-Current CO Electroreduction using Synergistic Cu/Zn Co-Catalysts, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, accepted.
DOI: 10.1002/anie.202420283
https://doi.org/10.1002/anie.202420283
Nannan Meng, Zhitan Wu, Yanmei Huang, Jie Zhang, Maoxin Chen, Haibin Ma, Hongjiao Li*, Shibo Xi, Ming Lin, Wenya Wu, Shuhe Han, Yifu Yu, Quan-Hong Yang, Bin Zhang*, and Kian Ping Loh*, High yield electrosynthesis of oxygenates from CO using a relay Cu-Ag co-catalyst system. Nat. Commun. 2024. 15, 3892.
DOI：10.1038/s41467-024-48083-w
https://doi.org/10.1038/s41467-024-48083-w
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