铜（Cu）表面的多相催化活性要求，从根本上理解各种C₁催化转化（如水煤气变换反应、CO/CO₂加氢及电化学还原反应）中关键中间体的形成与反应机制。

2025年11月9日，上海科技大学刘志、李毅敏、杨波、厦门大学陈明树在国际知名期刊Journal of the American Chemical Society发表题为《Dynamic Surface Restructuring Driven Formation of a Highly Polarized CO Species on a Defected Copper Surface》的研究论文，Jun Cai、Jiayu Lv、Kai Zhou、Shui Lin为论文共同第一作者，刘志、李毅敏、杨波、陈明树为论文共同通讯作者。

在本文中，作者基于原位光谱和形貌表征证据，揭示了富含缺陷铜表面通过吸附诱导重构形成桥式CO物种，及其在加氢反应条件下发生C-O键断裂和C-C耦合的反应活性。

结合密度泛函理论（DFT）计算模拟，作者将这种非常规反应活性归因于该物种相较于常见项位CO显著增强的吸附强度和极性。

本发现为理解铜（Cu）基催化剂表面缺陷密度与甲烷、C₂烃类及含氧产物选择性之间的强关联提供了新视角，其显著反应性影响凸显了动态表面重构在决定Cu基催化剂反应选择性中的关键作用。

图1. Cu(211)表面吸附的CO物种。(A) 过渡金属表面CO加氢反应中项位与桥式CO物种的原子尺度示意图及若干表面中间体。(B-C) 420 K高真空条件下Cu(211)表面CO物种的XPS与IR谱图。(D) 不同结构铜表面及Ag(111)、Pt(111)、Ni(111)表面项位(CO_t)与桥式(CO_b)CO物种的吸附能。(E) 几种过渡金属表面项位与桥式CO*物种的XPS C 1s与O 1s结合能差值。

图2. Cu(211)表面在300 K下CO吸附过程中的原位光谱与形貌观测。(A,B) C 1s光谱。(C) 暴露于0.15 mbar CO时Cu(211)表面C-O伸缩振动区IRRAS谱的时序演化。(D-G) 不同CO压力下Cu(211)表面的原位STM图像。

图3. Cu(211)表面CO物种的反应活性。(A-B) 分别为0.15 mbar CO与0.3 mbar H₂共存、以及纯CO条件下稳态C 1s谱，同时给出300 K时含氢与无氢条件的初始状态谱图。(C-D) 有无氢气条件下C 1s峰强度随温度的演化。

图4. 密度泛函理论（DFT）计算揭示的反应机理。(A) 反应路径示意图。(B) 应变对CO吸附的影响。(C) 应变对氢辅助C-O键断裂的影响。强压缩应变可增强表面中间体的吸附作用，并降低C-O键断裂的活化能。

综上，作者通过光谱与形貌证据表明，富含缺陷铜（Cu）表面通过吸附诱导重构形成桥式CO*是其本征特性。

该物种增强的吸附强度与独特的高极性，为Cu表面开辟了先前未被认知的多碳中间体形成路径。

本工作分子尺度的发现为理解Cu基催化剂在C₁转化中的多相催化提供了新视角，并深刻揭示了"柔性"表面动态重构对催化效应的普适性影响。

作者相信，本研究将为理性设计高选择性CO/CO₂加氢与电化学还原Cu催化剂开辟新的实验与理论发展方向。

Dynamic Surface Restructuring Driven Formation of a Highly Polarized CO Species on a Defected Copper Surface. J. Am. Chem. Soc., 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c12851.