2026年01月21日，江西师范大学袁彩雷教授和中科院半导体所王开友教授合作在Advanced Materials期刊发表题为“Tuning Cu–Cu Spacing in Single-Atomic Layer Cu Catalysts for Efficient and Stable CO2-To-C2H4 Electroreduction”的研究论文。论文第一作者是江西师范大学博士研究生徐卫杨和周文达博士，通讯作者为袁彩雷教授（江西师范大学）和王开友教授（中科院半导体所）。研究首次提出一种无定形碳锚定策略，成功制备了各向同性二维铜单原子层催化剂（Cu SALCs），并实现了原子级精准调控二维单原子层Cu催化剂中的Cu–Cu间距至2.35 Å，构建了一个连续全暴露活性位空间结构体系。实验结果表明，当Cu–Cu间距被调控至2.35 Å时，C2H4法拉第效率显著提升至78.6%，C2+部分电流密度达到−264.9 mA cm-2，同时C–C偶联能垒明显降低，关键中间体*OCCOH在更正电位下即可形成，且具有超过120 h的稳定性。本研究提供了原子尺度的催化剂设计见解，为可持续化学转化过程中高效催化剂的理性开发提供了新的范式。
研究背景
在全球气候变化背景下，大气中CO2浓度持续上升对生态与能源体系产生深远影响。围绕“碳达峰、碳中和”的“双碳”战略目标，发展高效CO2转化与资源化利用技术已成为能源与材料领域的重要方向。电催化CO2还原反应（CO2RR）借助可再生电力，可将CO2转化为高附加值燃料和化学品，是构建闭合碳循环体系的重要途径。其中，多碳产物（C2+，如乙烯、乙醇）具有显著工业价值，但其形成依赖关键的 C–C 偶联步骤。该过程涉及相邻活性位之间的协同作用，动力学复杂且对局域结构高度敏感，是当前提升CO2RR性能的核心挑战。理论研究指出，活性位之间的原子间距可能直接影响反应中间体的吸附构型与轨道耦合方式，从而调控C–C偶联能垒和产物选择性。基于这一认识，单原子催化剂因其高原子利用率、明确的活性中心及优异的催化活性，在多种催化反应中展现出广阔前景，并在一定程度上为调节活性位分布提供了可能。然而，孤立的单原子位点难以构建满足C–C偶联所需的多位协同环境，限制了其在多碳产物生成中的应用。近年来，二维金属单原子层的出现为构建全暴露活性结构并引入连续金属位点提供了新的可能。这类结构在保持高分散度和高原子利用率的同时，引入相邻活性位，为原子间距调控提供了结构基础。然而，由于锚定机制，二维金属单原子层在电催化环境下往往难以维持结构稳定，尚未在CO2电还原领域得到有效应用。基于此，本工作提出了一种非晶碳锚定的原子级Cu–Cu间距调控策略，实现了连续活性位空间构型的可控构建，在保持二维单原子层稳定性的同时，实现对C–C偶联路径的结构调控，为多碳产物的定向生成提供了新的结构设计思路。
要点一
原子级构建：二维单原子层Cu的形成与Cu-Cu间距调整
通过图一展示了二维单原子层Cu催化剂（Cu SALCs）的原子尺度结构特征。通过激光分子束外延技术，在富含悬挂键的非晶碳基底上沉积Cu原子，首先形成高度分散的Cu单原子；随着沉积时间延长，逐步演化为连续的单原子层簇结构（Cu SALCs-2.55）。高分辨HAADF-STEM图像清晰显示，Cu原子在二维平面内呈单层排列，未发生三维堆叠。更为关键的是，通过原位150 ℃短时间退火处理，Cu–Cu原子间距由2.55 Å调整至2.35 Å，同时保持单原子层结构完整，实现了活性位空间间距的调节，为后续C–C偶联路径调控奠定了基础。
要点二
电子结构调控：Cuδ+稳定与局域配位重构
通过同步辐射XANES与EXAFS分析，揭示了不同结构中Cu物种的配位环境与电子态变化。结果表明，Cu SALCs-2.35在保持二维单原子层结构的同时，稳定存在Cuδ+物种，其吸收边位置介于Cu2O与金属Cu之间。EXAFS拟合结果进一步证实，2.35 Å构型对应更紧凑的Cu–Cu配位结构，而非三维团聚。这种间距调控并未破坏单层特征，而是在二维平面内实现更高密度排布。原子间距的缩短增强了Cu–Cu轨道重叠和电子耦合，为中间体吸附与C–C偶联创造了更有利的电子环境。
要点三
性能跃升：78.6%乙烯选择性与120小时稳定运行
文中系统比较了不同Cu结构在CO2电还原中的催化表现。在中性流动电解池体系中，当Cu–Cu间距调控至2.35 Å时，C2H4法拉第效率显著提升至78.6%，C2+总选择性达到85.1%，C2+部分电流密度高达−264.9 mA cm-2。相比之下，2.55 Å结构及三维Cu团簇的乙烯选择性明显较低。与此同时，C2H4/CH4比值与C2+/C1比值显著提高，表明C–C偶联路径被明显强化。更重要的是，在−0.8 V条件下连续运行120小时后，催化剂仍保持稳定电流密度和70%以上的乙烯选择性，结构表征显示单原子层构型与2.35 Å间距均未发生明显变化。这表明该结构不仅具有高选择性，同时具备优异的长期稳定性。
要点四
机理揭示：间距调整驱动C–C偶联能垒降低
结合DFT计算与原位Raman光谱，揭示了2.35 Å构型下性能提升的内在机制。理论计算显示，在该间距下，而C–C偶联这一速率决定步骤的能垒仅为0.55 eV，显著低于2.55 Å结构及三维Cu团簇。电子结构分析进一步表明，间距调整导致d带中心上移、Cu–Cu轨道耦合增强，促进电子向关键中间体（如CO和*OCCOH）转移。原位Raman结果证实，在2.35 Å构型下，*OCCOH中间体在更正电位即可形成，说明C–C偶联过程被显著加速。从理论与实验双重层面证明，原子级间距调控是强化乙烯生成路径的核心机制
总结
本研究通过首次在非晶碳基底构建二维单原子层Cu结构，并实现Cu–Cu原子间距调整（由2.55 Å向2.35 Å），首次在实验层面建立了“原子级间距调控—C–C偶联路径优化—乙烯选择性提升”之间的直接关联。结果表明，当活性位间距被调控至2.35 Å时，不仅显著降低了C–C偶联能垒，还在几何构型与电子耦合之间实现协同优化，从而推动乙烯路径优先生成。该工作突破了传统尺寸调控或氧化态调节的框架，将“活性位空间尺度”引入为可主动设计的核心结构变量。更为重要的是，二维单原子层结构在保持高原子利用率的同时，提供了连续且稳定的金属位点网络，使得“单原子暴露”与“多位点协同”得以统一。这种结构平台不仅为深入理解CO2电还原中的C–C偶联机制提供了新的材料体系，也为今后通过原子级空间工程实现反应路径定向调控开辟了新的研究方向。
