第一作者：沙雪兰，虎雅荣

通讯作者：彭娟，刘利民

通讯单位：宁夏大学化学化工学院，煤高效利用与绿色化工国家重点实验室，银川 750021，中国；井冈山大学化学化工学院，吉安 343009，中国；江西师范大学化学化工学院，南昌 330022，中国

论文DOI： 10.1016/j.apcatb.2025.125910

宁夏大学彭娟教授团队在国际期刊《Applied Catalysis B: Environmental and Energy》发表题为“Direct OC-COH coupling towards efficient ethylene production via selective electroreduction of CO2 over carbon ultrathin layer protected Cu(I)/Cu(0) sites”的研究成果。该研究开发出碳包覆CuO（CuO@C_BTC）催化剂，其在还原过程中重构为Cu/Cu₂O@C_BTC，该催化剂实现了乙烯的高选择性，法拉第效率高达84%。超薄碳层能有效防止Cu(I)/Cu(0)物种氧化，使催化剂在-1.59 V vs. RHE电位下稳定产乙烯近14小时。DFT计算揭示了重构后的 Cu/Cu₂O@CBTC 催化剂降低了COH 中间体形成的活化能垒，并增强了*CO-*COH 偶联作用，从而促进乙烯的生成。该研究不仅深化了对 CO₂RR 制备 C2产物反应机理的理解，更为设计高性能乙烯催化剂提供了切实可行的策略。

全球气候变化加剧，CO₂过量排放是主要诱因之一，实现CO₂的资源化利用对“双碳”目标意义重大。CO₂电化学还原（CO₂RR）可将CO₂转化为高价值化学品，当前 CO₂RR 多生成高法拉第效率的C1产物，但乙烯等 C2+ 产物因高能量密度与商业价值更受关注。然而，CO₂RR制备乙烯面临C-C耦合动力学缓慢、过电位高、选择性差且易失活等问题，制约了该技术的工业化应用，因此开发高选择性、高稳定性的乙烯合成催化剂成为研究热点。

C2产物高选择性：重构后的Cu/Cu₂O@C_BTC催化剂对乙烯的选择性优异，FE达84%，高于对比样CuO@C_Mela（78%），且活性与稳定性均处于当前先进水平。

碳层保护机制：明确3nm超薄碳层不仅能避免Cu(I)/Cu(0)活性位点氧化，还能维持催化剂结构稳定，解决了传统铜基催化剂易失活的难题。

清晰反应路径：通过原位光谱（ATR-FTIR、Raman）与DFT计算结合，重构催化剂Cu/Cu₂O@C_BTC可显著降低乙烯关键中间体*COH的生成能垒,为机制研究提供直接证据。

(1)晶体结构与形貌

XRD（图1a）显示CuO@C_BTC和CuO@C_Mela均对应CuO（JCPDS No.45-0937）；SEM和HR-TEM（图1b、c、d）表明CuO@C_BTC为不规则多面体结构，主要暴露CuO(111)和CuO(002)晶面，表面有碳包覆；EDS mappings（图1e）和HAADF-STEM（图1f）显示Cu、C、O均匀分布，EELS线扫（图1h）证实碳层厚度约3nm。

(2)电化学性能

LSV（图3a）显示CuO@C_BTC在CO₂饱和电解液中电流密度更高，-1.79V vs. RHE时达180mA·cm⁻²；FE分析（图3b）表明-1.59V vs. RHE时，CuO@C_BTC的C₂产物总FE达86%，其中乙烯FE 84%；稳定性测试（图3d）显示该催化剂在-1.59V vs. RHE下可稳定13.8小时。

(3)原位表征

原位ATR-FTIR（图7）检测到*COH（1118cm⁻¹、1477cm⁻¹）、*COCOH（1360cm⁻¹、1580cm⁻¹）等中间体，证实*CO-*COH耦合；原位Raman显示随电位变化Cu₂O相减少，*CO吸附峰变化与乙烯生成趋势一致。

(4)理论计算

采用VASP代码，GGA-PBE泛函结合DFT-D₃考虑范德华作用，构建CuO@C_BTC和Cu/Cu₂O@C_BTC模型（图9a、b）。计算表明Cu/Cu₂O@C_BTC上*CO形成能更低（-0.1eV），*CO-*COH耦合能垒（1.06eV）低于CuO@C_BTC（1.27eV）；差分电荷分析显示碳层不遮挡活性位点，且Cu/Cu₂O@C_BTC的Cu位点电荷密度更高，利于中间体吸附；同时探究K⁺对反应影响，发现其对关键中间体形成能垒影响小于0.1eV。

本研究通过设计碳包覆Cu基催化剂，实现了CO₂电还原制乙烯的高选择性。碳层的引入解决了Cu(I)/Cu(0)活性位点易氧化的问题，提高了稳定性。而催化剂的电化学重构优化了反应路径，降低了关键中间体的形成能垒。未来，可进一步调控碳层的组成与结构，探索催化剂在不同电解液体系及规模化反应装置中的性能，同时结合更多原位表征技术与理论计算，深化对CO₂RR制多碳产物机制的理解，推动该技术向工业化迈进。

彭娟：宁夏大学教授、博士生导师，2023-2024连续两年入选全球前2%顶尖科学家榜单。南京大学博士（2012），美国Rice University联合培养博士（2010），新加坡南洋理工大学CSC访问学者。2016年入选自治区“百人计划”，2018年入选自治区科技创新领军人才。1篇文章入选“中国最具国际影响百篇论文”，获第六届中国侨界贡献创新人才奖，获宁夏科技进步奖三等奖（排名2)。承担5项国家自然科学基金项目及多项省部级项目。近年来在Nano Letters Applied Catalysis B: Environmental and Energy，Small, Journal of Materials Chemistry A 等国际期刊上发表高水平论文70余篇，单篇最高被引 2000余次。授权国家发明专利3项，实用新型专利1项。