在“双碳”战略背景下，电催化二氧化碳还原反应（CO2RR）被视为实现碳资源可持续循环的重要路径之一。相比生成一碳产物（如CO、甲酸等），C2+多碳产物（如乙烯、乙醇）具有更高的能量密度与经济附加值。然而，C2产物的生成通常涉及C–C偶联及多电子转移，路径复杂、副反应竞争激烈，选择性控制难度大，成为CO2RR领域的重要挑战。因此，发展新型催化剂结构与精准调控策略，实现C2产物的高效选择性生成，是该领域亟待突破的核心科学问题。
近日，吉林大学化学学院刘靖尧教授团队在C2产物定向合成领域提出了“时空分离”脉冲串联电催化新策略，开辟了多碳产物精准调控的新路径。该团队模拟自然界多酶协同机制，构建了具有空间分离双功能活性位的单原子纳米酶催化剂，分别负责CO2初步还原和后续C–C偶联，并借助巨正则系综下恒电势DFT计算（GCE-DFT）系统揭示了其分步反应路径与协同机制，成功实现对乙醇产物选择性的显著提升。该结构实现了C1与C2路径的有效空间分离，有助于提升乙醇生成的反应选择性。进一步地，团队引入脉冲电催化策略，通过施加周期性变电位（–0.7 V 与 0 V）精细调控各关键步骤的反应速率与方向。在–0.7 V下，催化剂有利于CO2吸附及中间体*CH3CH2OH生成；而在0 V时，CO迁移与C–C偶联过程得到显著促进，同时可抑制中间体的过度还原。通过调节脉冲周期，实现了乙醇路径热力学与动力学的双重提升。在此基础上，研究进一步拓展至Mn、Co、Ni、Cu、Zn等金属中心验证策略普适性。其中CoN4/CoO4双位点体系亦展现出良好的催化性能与脉冲响应，表明该策略在多种催化体系中具有广泛应用潜力。
值得一提的是，为揭示脉冲电位调控的本质机制，研究团队对FeN4和FeO4位点在不同电位下的电子结构进行了深入分析。结果显示，FeO4位点在由–0.7 V切换至0 V时发生自旋态由低自旋（S=1）至高自旋（S=2）的转变，显著增强了其对C–C偶联步骤的促进作用，揭示了脉冲电位驱动下自旋态演变在催化活性调控中的关键作用。
本工作首次将脉冲动态调控与双位点串联催化结构相结合，提出了CO2电还原反应“时–空分离”的新调控范式，在提升高附加值多碳产物生成效率与选择性的同时，亦为构筑高效动态催化体系提供了分子层面的理论依据与设计思路。
该成果论文发表在J. Am. Chem. Soc.上。吉林大学化学学院博士研究生孙昊为第一作者，刘靖尧教授为通讯作者。研究得到科技部重点研发计划（“基于晶态孔材料的仿酶催化体系研究，2021YFA1500403”）等项目的支持。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
A Pulsed Tandem Electrocatalysis Strategy for CO2 Reduction
Hao Sun, Jing-Yao Liu*
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 14388–14400, DOI: 10.1021/jacs.5c00633
导师介绍
刘靖尧教授课题组网站：
https://www.x-mol.com/groups/liu_jingyao
