电催化二氧化碳还原反应（ECO₂RR）可以在温和条件下将惰性的CO₂转化为增值化学品和燃料，是一种同时解决能源和环境危机的有效策略。近来，由于对*CO、*CHO中间体具有合适的吸附能，Cu基材料在进行ECO₂RR深度还原为碳氢化合物的过程中取得了巨大的进步。其中，得益于精确的结构和丰富的活性位点，Cu基纳米团簇（NCs）不仅可以实现有效的CO₂深度催化，还可以从原子水平上揭示结构-活性之间的关系。 

安徽大学的杜袁鑫副教授、金山副教授、朱满洲教授和邵阳学院的熊琳老师合作，合成了原子精确的同系团簇Cu₁₃ NCs和Cu₁₄ NCs。Cu₁₄ NCs顶部额外的Cu原子把与三个核心Cu原子相连接的H原子挤压到同一平面的中心，调节了Cu原子周围的电子结构，有利于CO₂的活化和水的解离，从而使得Cu₁₄ NCs深度还原二氧化碳为碳氢化合物。

通过调节Cu₁₄ NCs和Cu₁₃ NCs之间的单原子开关，使得Cu₁₄ NCs的电催化二氧化碳还原的反应选择性以及活性明显高于Cu₁₃ NCs。在-1.1 V时，Cu₁₃ NCs仅能产生少量的2e产物一氧化碳，最大法拉第效率仅为13%，在-1.2 V时，Cu₁₄ NCs可以产生较多的碳氢化合物，最大法拉第效率为54.3%。

二氧化碳吸脱附实验和相关的原位表征综合证明了Cu₁₄ NCs在活化二氧化碳和水解离的过程中均优于Cu₁₃ NCs，使得Cu₁₄ NCs更容易将二氧化碳深度还原为碳氢化合物。

这项工作不仅加深了单原子调控催化反应的基本认识，还提供了一个利用单原子调控同系团簇催化性能的概念。

Steering the Product Selectivity of CO₂ Electroreduction by Single Atom Switching in Isostructural Copper Nanocluster Catalysts

Chao Han, Tao Yang, Youqiong Fang, Yuanxin Du, Shan Jin, Lin Xiong, Manzhou Zhu

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202503417