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中国科学院大连化学物理研究所的研究团队近日在《自然·通讯》上发表了一项突破性研究，成功解决了光催化二氧化碳（CO2）还原领域一个困扰科学家数十年的难题：如何高效地将CO2转化为有价值的液体燃料。该团队开发的新型铜基催化剂，将CO2转化为甲醇和乙醇的总产率提升了三倍，为碳捕集与利用（CCU）技术带来了革命性进展。

效率瓶颈的根源：关键中间产物的生成

光催化CO2还原的核心挑战在于，CO2分子极其稳定，需要高能量才能将其活化。传统催化剂往往只能将CO2转化为一氧化碳（CO）或甲烷等简单气体产物，而生成甲醇、乙醇等高能量密度的液体燃料则需要多步电子转移和质子耦合过程，效率极低。研究团队发现，限制产率的关键在于中间产物——*CO（吸附态一氧化碳）的生成速率不足。*CO是通往甲醇和乙醇的关键中间体，其表面覆盖度直接决定了后续C-C偶联和加氢反应的效率。传统铜基催化剂表面*CO生成缓慢，导致大部分电子和质子消耗在生成氢气（H2）的副反应上，而不是目标燃料。

为了突破这一瓶颈，团队设计了一种富含晶界和缺陷的铜纳米线催化剂。通过精确控制合成条件，他们在铜纳米线表面引入了高密度的晶界和原子级台阶位点。这些特殊结构能够有效稳定关键中间体*CO，并降低其生成能垒。实验结果显示，在模拟太阳光（AM 1.5G）照射下，新型催化剂将CO2还原为甲醇和乙醇的总产率提升至每克催化剂每小时产生约450微摩尔，是传统铜纳米颗粒催化剂的3.2倍。同时，副产物氢气的生成被显著抑制，法拉第效率（用于目标产物的电子比例）从传统方法的不足30%提升至78%。

机制解析：晶界如何改变反应路径

为了深入理解催化机制，研究团队结合了原位拉曼光谱和密度泛函理论（DFT）计算。原位光谱显示，在反应过程中，晶界位点上的*CO覆盖度比平坦表面高出近一个数量级。DFT计算进一步揭示，晶界处的铜原子具有更低的配位数和更高的d带中心，这增强了与*CO的反馈π键作用，从而降低了*CO生成的活化能（从传统表面的0.85 eV降至0.62 eV）。更重要的是，高覆盖度的*CO促进了C-C偶联反应，使得乙醇的生成路径（2*CO → *OCCO → 乙醇）在动力学上变得可行。研究负责人王峰研究员表示：“我们终于找到了控制*CO覆盖度的‘钥匙’。这就像在拥挤的十字路口增加交警，让更多的‘车辆’（CO2分子）能够高效地转向正确的‘道路’（燃料生成路径）。”

该催化剂在连续运行24小时后仍保持90%以上的初始活性，显示出良好的稳定性。团队还测试了不同CO2浓度（从纯CO2到模拟烟气中的10% CO2）下的性能，发现即使在低浓度下，产率仍能达到纯CO2条件下的60%，这为其实际应用（如直接利用工业废气）提供了可能。王峰补充道：“下一步我们将致力于放大催化剂合成工艺，并探索与光伏系统集成，以实现真正的‘太阳能-燃料’转化。这项技术如果大规模应用，每年有望将数亿吨CO2转化为价值数千亿美元的燃料。”