北京大学JACS：富集CO₂与调控铜位点共价有机框架实现中性介质中低浓度CO₂高效电合成甲烷

云深

2026-01-17

全文概要

北京大学郭少军、Zhengyi Qian研究团队报道了一种在共价有机框架中嵌入高密度单原子铜位点（Cu-COFs）的催化剂，用于在中性介质中直接电还原低浓度CO₂制备甲烷。该催化剂通过其微孔结构和吡啶氮位点有效富集局部CO₂，同时吡啶氮配位的电子缺陷铜位点有效促进*CO吸附与水离解、抑制C-C偶联，从而高选择性生成CH₄。在模拟烟气（CO₂/N₂ = 15:85）条件下，该催化剂仍能保持61.1%的CH₄法拉第效率，为低浓度CO₂电合成甲烷提供了高效策略。

本文要点

1. 合成与结构：以含吡啶氮的BPTCA-BPDA共价有机框架为载体，通过原位配位稳定负载高含量（8.4 wt%）单原子Cu-N₂位点。结构表征证实铜以原子级分散并形成Cu-N配位，COFs骨架保持高结晶性与多孔性。

2. 催化性能：在1 M KCl中性电解液中，该催化剂在纯CO₂下CH₄法拉第效率达67%（500 mA cm⁻²），峰值CH₄分电流密度达395.7 mA cm⁻²。尤为突出的是，在60 vol% CO₂中CH₄法拉第效率达79.1%，在模拟烟气（15 vol% CO₂）中仍保持61.1%。

3. 机理阐释：吸附实验与分子动力学模拟表明COFs微孔与吡啶氮能优先吸附并富集CO₂。原位光谱与理论计算揭示铜位点增强CO吸附、促进水离解动力学，并显著抑制CO二聚化，从而选择性引导反应路径至CH₄生成。

4. 实际意义：该工作通过同时调控质量传输与催化位点，为直接利用工业低浓度CO₂废气进行高附加值转化提供了有效途径与理论依据。

文献详情

Yingjun Tan, Chenglong Sun, Guokang Han, et al. Neutral Electrolysynthesis of Methane from Diluted CO₂ on Dense Cu Sites Embedded Covalent Organic Frameworks, J. Am. Chem. Soc. (2025) DOI: 10.1021/jacs.5c17917

全文链接

https://doi.org/10.1021/jacs.5c17917