研 究 背 景

二氧化碳电还原反应（CO₂RR）作为一种可持续的CO₂转化技术，在科学界引起了广泛关注。在众多电催化剂中，铜基材料因其能够突破单一电子转移产物的限制，有效催化CO₂生成乙烯、乙醇、丙醇等高附加值多碳产物而备受关注。然而，铜基催化剂在CO₂RR应用中仍然面临挑战，尤其在催化剂-电解液反应界面微环境的共同作用下，反应起始电位高、易发生铜原子溶解与迁移、表面价态动态重构以及强烈的析氢副反应（HER），从而显著影响催化剂的活性、选择性和稳定性。因此，精确调控铜基电催化剂的反应界面特性已成为优化其CO₂RR性能的关键策略。

聚合物分子界面工程作为一种提升CO₂RR铜基催化剂性能的有效策略，具有多种独特的优势。一方面，聚合物分子层中的功能基团可调节铜基催化剂的电子结构，增强其CO₂富集与活化能力，从而提升催化本征活性并降低过电位；另一方面，聚合物链上官能团能够调控催化反应的界面微环境，如稳定界面pH、富集碱金属阳离子，提升*CO中间体的覆盖度并促进C–C偶联，显著提高多碳产物的选择性；此外，聚合物包覆层还能缓解铜基催化剂在电解过程中的溶解、迁移与重构，并避免电解液中或者气体中杂质对活性位点的持续毒化或腐蚀，从而大幅提升催化剂的长周期运行稳定性。

成 果 介 绍

近日，燕山大学王德松教授团队&新南威尔士大学戴黎明院士在Carbon Energy上发表了题为“Polymer Molecular Interface Engineering—Enhanced Cu‐Based Catalysts for the CO₂ Electroreduction Reaction”的综述文章（DOI:10.1002/cey2.70333）。

本综述从铜的表面电子结构调控、二氧化碳的吸附与活化、反应微环境的调节、分子保护层的构建以及关键中间体的稳定五个方面，系统性总结了聚合物分子界面工程增强铜基电催化剂CO₂RR的最新研究进展，并结合聚合物分子独特的结构特性，提出了聚合物分子修饰的铜基催化剂在CO₂RR系统中未来的应用发展方向。

研 究 亮 点

1. 聚合物介导界面电子重构与CO₂吸附、活化协同机制

系统解析了聚合物功能基团调控铜基催化剂电子结构的机理，阐明了d带中心上移对CO吸附强化与H吸附抑制的萨巴捷（Sabatier）平衡效应；同时揭示了极性聚合物层通过CO₂分子的高效富集与活化，构建的“外活化‐内还原”串联催化路径，协同提升CO₂RR征活性。

2. 反应微环境精准调控与关键中间体的固定

全面梳理了聚合物修饰层对界面微环境的多元调控机制，揭示局部H₂O/CO₂比例、界面水结构调控对抑制HER及促进C–C耦合的决定性作用；同时阐明了聚合物高密度官能团稳定*CO、*CHO等关键中间体的构型与表面停留时间，降低C–C耦合能垒，提升多碳产物选择性的关键作用机制。

3. 分子保护层构筑与催化剂结构稳定机制

系统介绍了聚合物分子保护层（MPLs）在严苛电化学环境下的物理屏蔽与界面化学调控作用；详细阐述了其通过致密而柔韧的聚合物网络抑制表面活性位点溶解、防止碳酸氢盐/碳酸盐沉积及杂质毒化或腐蚀的作用机制，为构建高耐久性铜基CO₂RR催化剂体系提供有效的技术策略。

图 文 解 析

图1 CO₂RR助力可持续碳循环与利用示意图

图2聚合物修饰的铜基电催化剂上CO₂RR生成多碳产物的反应路径

图3聚合物分子介导的铜基电催化剂界面工程设计

图4 聚合物调控Cu基催化剂的d带中心示意图

图5聚合物分子增强铜基催化剂CO₂吸附和活化示意图及活化能垒比较

图6亲疏水性聚合物层调控铜基催化剂活性位点分散度及CO₂RR产物选择性

图7聚合物层调节界面局部微环境（CO₂/H₂O比例、界面水结构、局部pH、碱金属离子浓度）

图8聚合物稳定关键中间体促进CO₂RR

图9聚合物分子保护层提升铜基电催化剂稳定性

图10聚合物分子改性的铜基电催化剂在CO₂RR系统未来的应用发展方向

研 究 小 结

本综述系统总结了聚合物分子界面工程增强铜基电催化剂CO₂RR性能的研究进展，并提出了相应的界面工程设计策略，包括聚合物介导铜基催化剂界面电子结构调控提升本征催化活性、精准调控反应微环境与固定关键中间体、构筑分子保护层与稳定催化剂结构。尽管聚合物驱动的铜基电催化剂界面工程策略在CO₂RR应用方面展现出巨大应用潜力，但仍存在若干关键挑战，如功能聚合物分子的合理设计和可规模化合成、对催化剂—聚合物分子反应界面协同催化机理的深入认识、催化反应体和效率的进一步优化，以及基于聚合物独特的结构优势构建适用于实际应用的多维度一体化电极。因此，未来的重点发展方向包括：

1. AI辅助功能聚合物开发：利用机器学习模型基于实验数据和理论计算结果，高通量筛选最优聚合物结构，预测其对活性、选择性和稳定性的调控效果。

2. 多尺度原位/工况表征技术联用：将原位Raman、DEMS、同步辐射XAS等多种技术耦合，开发可视化手段，实时追踪界面处活性位点动态结构、中间体演化及局部微环境变化，深入揭示协同催化机制。

3. 拓展CO₂CO₂RR耦合反应体系：在阴极将CO₂与NO₃⁻、NO_x、NH₃等含氮物种共还原，合成尿素、酰胺等高附加值化学品；阳极以醇氧化、有机酸氧化等热力学更有利的反应替代OER，降低全池电压，实现双电极协同增值。

4. 聚合物辅助构建多维集成电极：利用聚合物自身的结构特性，在集流体上原位构筑纳米薄膜、纳米管、纳米片阵列等多维结构，避免传统粘结剂（如Nafion）带来的界面阻抗和活性位点遮蔽问题，实现高电流密度下的快速传质与长周期稳定运行。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Polymer Molecular Interface Engineering—Enhanced Cu‐Based Catalysts for the CO₂ Electroreduction Reaction

文章研究方向：

电还原— —CO₂还原

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70333

DOI: 10.1002/cey2.70333

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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