2023年5月3日，国际顶级期刊Nature刊发了上海交通大学变革性分子前沿科学中心李俊副教授、武汉理工大学麦立强教授、多伦多大学Edward H. Sargent教授和华中科技大学庞元杰教授等人合作的科研成果“Constrained C2 adsorbate orientation enables CO-to-acetate electroreduction”。李俊为共同第一作者，工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划和上海交通大学变革性分子前沿科学中心的大力支持。

       目前乙酸的年产量超过1800万吨，其工业生产需要在高温高压下，将合成气热催化转化为甲醇，进一步将甲醇和一氧化碳进行甲基羰基化得到乙酸，每生产1公斤乙酸将产生1.6 公斤的二氧化碳。由可再生电力驱动的电化学系统可实现使用一氧化碳/二氧化碳和纯水绿色合成乙酸。以乙酸为代表的多碳产物生产依赖于铜基催化剂，然而单一产物的选择性较低。这是由于多碳中间体在催化剂表面有不同的结合方式，导致了不同产物生成路径多样化。相比之下，单齿吸附多碳中间体（*C=C=O）与乙酸盐有一对一的映射关系。因此，可通过构建孤立铜位点，抑制双齿或多齿吸附多碳中间体产生，进而促进单齿吸附多碳中间体生成及其转化制备乙酸。

图1 银基单分散铜催化剂促进单齿吸附多碳中间体生成及其转化生产乙酸示意

       作者以具有超高能量分辨同步辐射X射线吸收谱为主要结构表征手段，在工况条件下，对设计的银基单分散铜合金催化剂进行结构分析。原位实验表明，电催化过程中，并未观测到明显Cu-Cu成键，这表明Cu在金属Ag晶格中以原子级分散存在。这一结论通过进一步X射线近边吸收精细结构拟合计算得到验证：发现具有1-4个铜原子团簇的银合金显示出与在电催化过程中催化剂相似的结构。再者，进行了时间分辨原位X射线吸收谱测试，显示Ag中的Cu团簇在-0.36V和-0.66V电位下，反应过程中仍然能保持其结构。此外，基于拓展X射线吸收精细结构的小波变换分析表明，在2-3 Å的径向距离范围内，显示合金材料中铜与银有很强的相互作用，并观测到了铜位点在实际催化反应中与单齿吸附含碳中间体（Cu-C）的相互作用。

图2 工况下原位X射线吸收谱探究电催化过程中合金材料结构信息

       这项工作充分利用基于同步辐射加速器的X射线吸收光谱这一前沿技术，在工况反应条件下，解耦催化剂结构与单一乙酸产物选择性的构效关系。设计的新型合金催化剂材料在高压一氧化碳气氛中，促进生成单齿吸附*C=C=O中间体，最终实现高达91%的乙酸法拉第效率。 

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05918-8