将CO₂电化学还原为增值多碳（C₂₊）产品为可再生能源储存和CO₂利用提供了一条极具吸引力的途径，但在工业水平电流密度下实现高C₂₊选择性仍然具有挑战性。

2025年1月15日，西北大学光子所屈云腾、王一、冷坤岳团队在Advanced Materials期刊发表题为“Engineering Atom-Scale Cascade Catalysis via Multi-Active Site Collaboration for Ampere-Level CO₂ Electroreduction to C₂₊ Products”的研究论文，团队成员靳成浩为论文第一作者。

该研究报道了一种Mo₁Cu单原子合金（SAA）催化剂，在0.80 A cm⁻²下，其C₂₊法拉第效率高达86.4%。此外，Mo₁Cu上的C₂₊部分电流密度达到1.33 A cm⁻²，法拉第效率超过74.3%。结合operando光谱和密度泛函理论DFT计算结果表明，制备的Mo₁Cu SAA催化剂可以通过多活性位点协同作用实现原子尺度级联催化。引入的Mo位点促进了H₂O解离，从而产生了活性*H，同时，远离Mo原子的Cu位点（Cu⁰）是CO₂向CO活化的活性位点，此外，CO和*H被相邻靠近Mo原子的Cu位点（Cu^&+）捕获，加速了CO转化和C─C耦合过程。该研究结果有助于设计原子级串联电催化剂，以高转化率将CO₂转化为多碳产品。

为了在SAA上实现高效的原子尺度级联催化，需要在几个原子内构建多个活性位点，这是一个具有挑战性的问题。该研究提出了一种电负性诱导策略，利用高电负性元素使与之相邻和相距较远的铜的电子结构多样化。钼（1.90）具有比Cu（2.16）更高的电负性和H₂O解离调节能力，因此可以利用钼制备含Cu的SAA，将CO₂RR转化为C₂₊。优化后的催化剂（0.7%-Mo₁Cu）在电流密度为800 mA cm⁻²时，C₂₊产物的法拉第效率（FE）为86.4%。此外，该催化剂的C₂₊部分电流密度为1.33 A cm⁻²，法拉第效率为74.3%。实验和密度泛函理论DFT计算表明，原子分散的Mo在Cu上的引入产生了三个不同的催化位点。首先，引入的Mo位点促进H₂O解离生成活性H*，同时，远离Mo原子的Cu位点（Cu⁰）是CO₂向CO*活化的活性位点，最终，H*和CO*被靠近Mo原子的Cu位点（Cu）捕获，参与CO转化和C─C耦合过程。三个催化位点的协同作用诱导了原子尺度级联催化，显著促进了CO₂转化为C₂₊产物。

图1. 纳米级和原子级的级联催化示意图

图2. a) Mo₁Cu催化剂制备示意图。b) 0.7% Mo─CuO的SEM图像。0.7% Mo₁Cu的c) HAADF-STEM图像，d) EDS元素映射，e) AC-HAADF-STEM图像。f) 图e中框出区域的放大图像，g) 0.7% Mo₁Cu的原子分辨元素映射。h) 图g中框出区域的放大图像。i) 对应的三维表面强度轮廓图像。j) 蓝框中提取的强度分布图。

图3. 0.7% Mo─CuO和0.7% Mo₁Cu的a) Cu 2p XPS光谱，b) Cu K边XANES和光谱c) Cu K边FT-EXAFS光谱。0.7% Mo─CuO和0.7% Mo₁Cu的d) Mo 3d XPS谱，e) Mo K边XANES谱，f) Mo K边FT-EXAFS谱。g) Mo K边小波变换图像。

图4. CO₂RR性能评估。a) LSV曲线。b) Cu和c) 0.7% Mo₁Cu的生成物分布。d) C₂₊在Cu和0.7% Mo₁Cu上的FE和部分电流密度。e) 在0.8 A cm⁻²下，Cu和x% Mo₁Cu催化剂上C₂₊的FE。f) 性能比较。g) 0.7% Mo₁Cu催化剂在−1.7 V vs. RHE的长期稳定性。

图5. a) x% Mo₁Cu催化剂在Ar气氛中的LSV曲线。在0.4 A cm⁻²时，x% Mo₁Cu的CO₂RR的b) H₂ FE和c) 含H产物比率。d) 在−0.9 V vs. RHE 时，Cu和0.7% Mo₁Cu的CO₂RR的H/D KIE。0.4 A cm^-2时CO₂RR中x% Mo₁Cu的e) CO FE和f) CO 转化率。g) CORR实验中含C的产物。h) Cu和0.7% Mo₁Cu的CO-TPD结果。i) CO₂RR实验中含C的产物。

图6. a) Cu和0.7% Mo₁Cu的原位拉曼光谱。b) HCO₃⁻和*CO强度与应用电势的函数关系比较。c) Cu和0.7% Mo₁Cu上的原位DRIFTS光谱。0.7% Mo₁Cu电还原过程中随时间变化的d) 原位FT-EXAFS和e,f) XANES光谱。g) 水解离的自由能图。h) *H的吸附能。i) *CO的吸附能。j) 在0 V时*CO与*H发生C─C耦合得到*CHOCO的自由能图。k) CO₂RR转化为C₂H₄和C₂H₅OH的反应机理。

该研究制备了具有多个活性位点的Mo₁Cu SAA，用于电催化CO₂RR，生成C₂₊产物。operando光谱和密度泛函理论DFT计算相结合，揭示了原子尺度级联催化包括三个不同位点上的三个过程。当Mo₁Cu含量为0.7%时，这三个过程达到了最佳平衡，C₂₊ FE的CO₂RR性能超过74.3%，C₂₊部分电流密度达到1.33 A cm⁻²。该研究发现有助于设计原子级串联电催化剂，以高转化率将二氧化碳转化为多碳产品。