西北工业大学Angew：Cu-Mg双单原子电催化还原CO2制CH4！

由于复杂的多电子转移过程与竞争的C-C耦合路径，将CO2选择性电还原为CH4仍面临巨大挑战。
2025年10月28日，西北工业大学张和鹏、张秋禹、郭莹在国际知名期刊Angewandte Chemie International Edition发表题为《Cu-Mg Dual Single-Atom Catalysts with CO Spillover for Efficient CO2Electroreduction to CH4》的研究论文，Peng Zhao为论文第一作者，张和鹏、张秋禹、郭莹为论文共同通讯作者。

在本文中，作者构建了一种具有空间限域CO溢出效应的Cu-Mg双单原子催化剂。

光谱表征与密度泛函理论（DFT）计算证实，原子级分散的Mg位点不仅能调控Cu位点的电子结构以降低CO2还原至CH4的总能垒，还可高效活化CO2形成*CO中间体，随后该中间体迁移至相邻Cu位点进一步加氢生成CH4。

凭借双重优势，优化后的CuN2-MgN2电催化剂在环境CO2条件下于-1.1 V 电位下实现78.3%的CH4法拉第效率与228.7 mA cm-2的局部电流密度，Cu单原子位点的CH4转化频率高达1.72 s-1，性能显著超越现有报道催化剂。

本工作不仅从原子尺度揭示了CO2至CH4转化过程中中间体的动态调控机制，更为设计具有明确活性位点构型的工业级电催化剂建立了普适性理论模型。

图1 CuN2-MgN2结构表征：a) TEM图像；b) EDS元素分布图；c) HAADF-STEM图像；d) CuN2-MgN2与CuN2的Cu 2p XPS谱图；e,f) CuN2-MgN2的Cu K边XANES谱及EXAFS信号的小波变换图；g) CuN2-MgN2与MgN2的Mg 2p XPS谱图；h,i) CuN2-MgN2的Mg K边XANES谱及EXAFS信号的小波变换图。

图2 CuN2-MgN2与CuN2的CO2RR性能表征：a) 在CO2/Ar气氛的1 M KOH电解液中测得的LSV曲线；b,c) 不同电位下CuN2-MgN2与CuN2的产物法拉第效率；d) CH4法拉第效率对比；e,f) 不同电位下的CH4电流密度与TOF值；g) 长期稳定性测试；h) 与文献中CO2RR制CH4基准催化剂的性能指标对比。

图3 原位表征分析：a,b) CuN2-MgN2与CuN2在-0.6 V至-1.4 V电位区间的原位ATR-FTIR光谱；c,d) CuN2-MgN2与CuN2的原位DEMS检测结果；e) CO2还原制CH4过程中双位点（CuN2-MgN2）的CO溢出机制示意图。

图4 密度泛函理论（DFT）计算：a) CuN2-MgN2中Cu位点吸附CO前后的投影态密度；b) CuN2-MgN2中Mg位点吸附CO前后的投影态密度；c) CuN2-MgN2催化剂通过CO溢出路径实现CO2RR至CH4的自由能图；d) CuN2-MgN2与CuN2中Cu位点催化CO2RR至CH4的自由能图对比。

综上，作者成功开发了一种Cu-Mg双单原子催化剂，通过Cu位点的电子调控与CO溢出路径，显著增强了常温条件下CO2至CH4的电化学转化效率。

原子级分散的Mg位点可高效活化CO2生成CO中间体。

原位光谱分析与密度泛函理论（DFT）计算共同证实了CO从Mg位点向Cu位点的定向迁移过程，以及两种金属在反应级联中的独特作用。

此外，Mg原子的引入还调控了Cu位点的电子结构，有效降低了整个CO2RR至CH4反应过程的能垒。

这种空间与电子协同的构型实现了78.3%的CH4法拉第效率与228.7 mA cm-2的局部电流密度，性能超越已报道的单一位点催化剂体系。

本工作不仅展示了一种高性能催化剂，更为构建具有可控中间体迁移路径的双位点原子催化剂确立了普适性设计原则，为选择性高效电还原CO2开辟了新途径。

Cu-Mg Dual Single-Atom Catalysts with CO Spillover for Efficient CO2Electroreduction to CH4. Angew. Chem. Int. Ed., 2025. https://doi.org/10.1002/anie.202516184