分子圍欄突破碳利用難題：CO?電催化轉化乙烯選擇性刷新紀錄

來源：Chemical & Engineering News (C&EN) | 原文作者：Fernando Gomollón Bel | 原文鏈接：查看原文

在全球碳排放治理的緊迫背景下，將二氧化碳（CO?）直接轉化為有價值的化學燃料，正成為科學界競相突破的前沿方向。近日，來自中國科學院的研究團隊提出了一種顛覆性策略——通過構建"分子圍欄（Molecular Fence）"，在電催化表面精準捕獲關鍵反應中間體，從而大幅提升CO?轉化為乙烯的速率與能量利用效率。相關研究成果已發表于《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society，2026, DOI: 10.1021/jacs.6c02917）。

乙烯是全球石油化工產業的基礎原材料，目前每年全球產量約達2.25億噸，主要依賴化石燃料裂解工藝生產。將CO?電化學還原為乙烯，不僅能夠消耗大氣中多余的溫室氣體，還能以清潔能源驅動工業化學品的制造，具有極大的戰略價值。然而，傳統電化學CO?還原過程長期面臨選擇性低、能耗高、穩定性差等頑固問題，嚴重阻礙了工業化應用進程。

"分子圍欄以前所未有的碳效率和64%的乙烯選擇性重新配置了催化劑，這些指標超過了此前所有已發表的研究報告。"

—— 通訊作者 Guoliang Chai，中國科學院福建物質結構研究所

本研究的核心創新，在于將苯并-2,1,3-噻二唑（benzo-2,1,3-thiadiazole）小分子引入銅-鋯催化劑體系。這些特殊分子一端與催化表面緊密結合，另一端相互堆疊，在催化劑表面形成一種半封閉的"圍欄"結構，模擬酶對底物的限域效應，為關鍵反應中間體提供了一個受限微環境。這一設計使得反應物與催化表面之間的相互作用顯著增強，有效促進了碳-碳鍵的形成，同時抑制了副反應（尤其是氫氣的競爭性析出）。

在電化學CO?還原領域，反應介質的pH值調控歷來是一大難題：酸性條件雖能減少不利的碳酸鹽生成，卻會加劇析氫副反應；堿性條件雖有利于碳-碳鍵的形成，卻會導致CO?以碳酸鹽形式流失，造成原料浪費。"分子圍欄"的高明之處，正在于其實現了宏觀體相pH與催化界面微環境pH的解耦：整體反應溶液維持酸性，而分子圍欄能將堿性氫氧根離子（在還原CO?、脫除氧原子時產生）富集并局限于催化表面附近，形成一個局部堿性微環境，同步獲得了酸性和堿性條件各自的優勢。

比利時微電子研究中心（Imec）化石燃料替代品研究專家Ya-Mi Chuang（未參與本研究）對這一策略給予了高度評價。她指出，研究人員在具有工業相關性的電流密度下，實現了對乙烯及更長碳氫化合物的創紀錄選擇性。此外，這一過程展現出良好的可擴展性——實驗已在流式電解槽中成功驗證，與工業級規模化應用路線吻合。

阿貢國家實驗室專注于CO?電催化轉化研究的科學家Reginaldo J. Gomes（未參與本研究）認為，這項工作在同等條件下"與最先進的系統相比具有高度競爭力"，代表了一種將催化劑界面視為完整"生態系統"的先進設計哲學，而非僅僅優化單一材料屬性。他表示，研究團隊已在流式電池架構中開展工作，"這是正確的工程方向"。

從實驗結果來看，該體系實現了64%的乙烯選擇性，并且對乙醇、丙醇、丙烯等更長鏈碳氫化合物也表現出顯著的生成能力，為構建多產品碳利用平臺奠定了基礎。研究團隊目前正在實驗室中進一步優化反應條件，并尋求工業合作伙伴，計劃在中試裝置中驗證其工業化可行性。

值得關注的是，分子圍欄策略并不局限于CO?還原領域。Chai表示，這一設計思路同樣可以移植到氧還原反應（ORR）和硝酸鹽還原反應（NO?RR）等其他重要電催化過程中，具有廣泛的普適性。

在全球能源轉型與碳中和目標的推動下，以可再生電力驅動CO?高效轉化為高附加值化工產品，正在成為連接碳捕集與綠色制造的關鍵紐帶。此次"分子圍欄"策略的成功，不僅為CO?利用技術帶來了新的突破口，更為設計下一代高性能電催化體系提供了全新的思路范式——通過精妙的界面微環境工程，讓分子層面的"圍欄"成為推動綠色化工變革的有力杠桿。