北理工团队在脉冲放电制备非对称结构铜纳米团簇催化剂研究中取得研究进展

导读

2025年，北京理工大学陈鹏万教授课题组近日在脉冲放电制备铜纳米团簇催化剂研究中取得重要进展，相关研究成果以“Transient Pulsed Discharge Preparation of Graphene Aerogel Supports Asymmetric Cu Cluster Catalysts Promote CO2 Electroreduction”为题在国际知名期刊《Nature Communications》上发表。北京理工大学陈鹏万教授、陈文星副教授和高鑫副教授和江苏大学孙中体老师为论文共同通讯作者。

电催化二氧化碳还原技术可将温室气体转化为具有高附加值的多碳化合物（C2+），其中乙醇因其能量密度高、储运便捷且应用广泛，被视为理想的绿色燃料与工业原料。然而，传统催化剂在反应中面临碳-碳键耦合能垒高、产物选择性低及稳定性不足等挑战。针对这一难题，研究团队提出“非对称纳米团簇催化剂”设计理念，创新性地利用瞬态脉冲放电技术成功制备出石墨烯气凝胶负载铜纳米团簇催化剂（Cu Clu/GAs），其独特的Cu₄O-CuC₂O₁原子相互作用结构显著提升了二氧化碳还原为乙醇的效率与稳定性。

主要内容为：催化剂高活性与高选择性：实验表明，Cu Clu/GAs催化剂在电催化反应中对乙醇产物的选择性达到较高水平，同时电流密度显著提升，突破了传统催化剂产物混杂的技术瓶颈。超长稳定性：该催化剂在连续运行60小时后仍保持优异性能，解决了同类催化剂易失活的难题，为工业化应用奠定基础。机制创新：团队通过原位X射线吸收谱（XAFS）、近常压光电子能谱（NAP-XPS）及密度泛函理论（DFT）计算，揭示了非对称铜活性位点促进碳-碳键定向耦合的微观机制，为催化剂理性设计提供理论支撑。普适性技术平台：基于脉冲放电的快速非平衡合成策略可拓展至钴、镍、铂等其他金属催化剂体系，并且可以控制团簇尺寸，为多场景碳资源转化提供了通用解决方案。

图1 超快脉冲放电合成Cu Clu/GAs及形貌表征

图2 Cu1.7 Clu/GAs的电催化CO2RR性能

图3 Cu1.7 Clu/GAs的配位结构和化学态

图4 Cu1.7 Clu/GAs在电催化CO2RR中的原位XAFS和原位ATR-FTIR表征

图5 Cu1.7 Clu/GAs在电催化CO2RR中活性分析

本研究通过新型的瞬态脉冲放电技术多尺度调控、制备了非对称结构纳米团簇催化剂，实现了催化剂活性位点的精准构筑，不仅推动了电催化基础理论的发展，更为二氧化碳资源化利用提供了高效技术原型。该成果有望应用于可再生能源储能、化工原料绿色合成等领域，助力“双碳”战略目标实现。

全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56534-1

来源：北京理工大学