耐久型二氧化碳制一氧化碳及乙烯等高碳产物系统

本文报道了一种新型酸性-碱性串联电催化系统，用于稳定、高效地将二氧化碳（CO₂）转化为高价值多碳化学品（尤其是乙烯，C₂H₄）。传统单步电解或碱性串联系统面临严重问题：在碱性/中性环境中，CO₂易与氢氧根反应生成碳酸盐或碳酸氢盐，造成气体扩散电极“淹水”，大幅降低稳定性；同时大量CO₂以碳酸盐形式流失，单程碳利用率（SPCE）常低于25%，经济性差。而纯酸性单步制C₂⁺又受限于析氢反应（HER）剧烈、催化剂快速失活等问题。

本研究的核心创新在于：第一步采用自主研发的酸性CO₂还原（CO₂RR）催化剂——镍单原子催化剂（Ni1-NC-0.5），其镍原子间距精准调控为0.5纳米。该设计显著增强了关键中间体*COOH的吸附能力，抑制了竞争性析氢，从而在强酸条件（pH=1）下实现99.7%的一氧化碳（CO）法拉第效率（FE），且单程碳利用率高达89.9%。第二步则采用碱性一氧化碳还原（CORR）电解槽，利用改性的CuO@TCNQ催化剂，将上一步产生的CO高效转化为C₂⁺产物。整个串联系统在10安培总电流下，C₂⁺总FE达92.5%，其中乙烯选择性达75.3%，并连续稳定运行超过400小时，全程无碳酸盐沉积。

研究通过原位光谱（SERS、ATR-FTIR、XAS）和理论计算（DFT）证实：0.5纳米的镍原子间距最有利于*COOH中间体的稳定吸附与活化，降低了反应能垒，同时提升了镍位点在酸性环境中的结构稳定性（避免了镍-氮键断裂和团聚）。技术经济分析（TEA）表明，当未来绿电价格降至0.01美元/千瓦时，该系统生产的乙烯成本可降至1344美元/吨，已低于当前石油路线的1350美元/吨，具备工业替代潜力。该工作从催化剂原子结构设计和电解槽系统集成两个层面，为CO₂高值化、长寿命制备多碳燃料与化工原料提供了切实可行的新路径。