隨著能源不斷消耗，大氣中 CO₂ 的排放量逐年遞增，由此引發的環境問題已成為全球關注的熱點。去年的聯合國大會上，我國向世界承諾，二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和。如何減少 CO₂ 排放、有效轉化和利用 CO₂ 已引起各國政府的高度關注，CO₂ 的固定和轉化是降低其含量的有效途徑之一。
 

我們都知道自然生物可以利用太陽能、化能等能量形式固定二氧化碳進行自養生長。到目前為止，科學家共發現了 6 種天然固碳途徑。其中卡爾文循環（光合作用中的碳反應部分）是自然界分布最廣的固碳途徑，每年可將 1 千億噸二氧化碳轉化成再生物質。但天然固碳的轉換效率較低、經濟性較差，是限制其實現工業化利用的主要瓶頸。因此構建具有高轉化效率的人工固碳途徑一直是相關領域的研究重點。

圖1. 卡爾文循環（來自：維基百科）

CO₂ 電化學還原（ERC）技術是在常溫常壓條件下，利用電能（尤其是可再生能源發電）將 CO₂ 與水直接反應生成合成氣、甲酸、碳氫化合物、醇類等高附加值的化學品或液態燃料的新技術，是一條實現可再生能源存儲與 CO₂ 轉化利用的綠色途徑，對人類的可持續發展具有重要意義。ERC 技術不需要制氫、加溫和加壓等額外消耗的能量，且設備投資少，其潛在的經濟效益和環境效益引起了研究者廣泛關注。

近年來，電化學還原技術取得了長足進展，但仍存在許多亟待解決的問題，例如產物的選擇性低、偏電流密度低、催化劑的穩定性與耐久性欠佳等，這些問題限制了 ERC 技術的實際應用和商業化。電催化劑作為 ERC 技術的關鍵材料，其性能直接影響 CO₂ 轉化效率、還原產物選擇性及穩定性。因此，開發高性能的電催化劑，提高催化劑的催化活性、選擇性和穩定性具有重要的研究意義和應用價值。

在所有金屬電催化劑中，Cu 基催化劑是唯一可在水溶性電解質溶液中將 CO₂ 高選擇性地催化還原生成碳氫化合物和醇類的催化劑。在 Cu 基催化劑表面，CO₂ 可以還原成 CO、HCOOH、CH₄、C₂H₆、C₂H₄ 及含氧碳氫化合物（醇類）等 16 種不同的還原產物。不同的 Cu 基催化劑用于 ERC 反應時，還原產物分布不同。影響還原產物選擇性和還原效率有多種因素，包括催化劑的結構、形貌、晶面、尺寸、組成、表面缺陷等。

浙江大學功能復合材料與結構研究所的研究人員研發出一種新型電催化劑，今年 6 月 2 日，相關研究成果以《在銅-分子界面上緊固溴離子使 CO₂ 高效電還原成乙醇》（Fastening Br– Ions at Copper–Molecule Interface Enables Highly Efficient Electroreduction of CO₂ to Ethanol）為題，發表在《ACS Energy Letter》上。

圖2. 在新型電催化劑 CuBr 作用下的 CO₂ “釀”酒過程

研發出的新型電催化劑十二烷硫醇改性 CuBr，在催化過程中會形成一個穩定的 Br 摻雜 Cu 硫醇界面，從而更高效地將二氧化碳還原成乙醇。該電催化劑的 C²⁺（含有兩個碳原子及以上的化合物）法拉第效率提高了 72%， 乙醇的法拉第效率達到 35.9%。

圖3. 新型電催化劑的合成過程

上圖闡述了在銅箔上合成 CuBr 納米四面體并使用十二硫醇（DDT）進行修飾改性的過程。首先將機械拋光的銅箔片在 CuBr₂ 溶液中浸泡 30s，快速形成 CuBr 四面體。利用飛納臺式場發射掃描電鏡 Phenom Pharos 對 CuBr 和 CuBr - DDT 的形貌進行觀察，在銅箔的整個表面上可以清晰地觀察到排列緊密、表面光滑的四面體納米結構（圖 3b）。經過 DDT 處理后，可以看到 CuBr 四面體表面吸附的絮凝狀 DDT（圖 3c）。

實驗結果表明，用 DDT 分子修飾的 CuBr 對 C²⁺ 的法拉第效率高達 72%，乙醇-乙烯比接近 1.1。DDT 在 CuBr 上的吸附會阻礙 Br 的遷移和 CuBr 的完全還原，從而在催化過程中形成獨特的 Br 摻雜 Cu 硫醇界面，且界面穩定性高。同時，DDT 的吸附抑制了氫和甲烷的產物選擇性。在 Cu 中引入 Br- 可以穩定高價態 Cu，從而提升對乙醇的選擇性。這一策略將有助于其他復雜電子-質子轉移過程的電催化系統的設計。