近年來，利用電化學(xué)還原的方法，將CO₂分子轉(zhuǎn)化為各種高附加值產(chǎn)物（如CO、CH₄、C₂H₄、C₂H₅OH等）得到關(guān)注。在CO₂電還原的產(chǎn)物中，甲烷（CH4）是天然氣的主要成分和重要的工業(yè)原料，可作為燃料電池的原料，具有重要的實用價值。然而，由于從CO₂到CH₄，需要經(jīng)過八電子轉(zhuǎn)移過程，反應(yīng)路徑長，動力學(xué)速率緩慢，導(dǎo)致目前難以實現(xiàn)很高的CH₄選擇性和電流密度。如何設(shè)計高效的催化劑實現(xiàn)從CO₂到CH₄的高選擇性轉(zhuǎn)化具有挑戰(zhàn)性。

近日，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點實驗室研究員曹榮、副研究員黃遠(yuǎn)標(biāo)團(tuán)隊，與研究員柴國良合作，在含有周期性排列的Cu-O₄結(jié)點的導(dǎo)電Cu-MOF上通過電還原處理，在導(dǎo)電MOF基底上原位構(gòu)筑了均勻分布的單一類型的Cu₂O(111)量子點，并通過釋放的羥基穩(wěn)定中間體，從而實現(xiàn)了將CO₂高效的轉(zhuǎn)化為CH₄，選擇性最高達(dá)73%。通過導(dǎo)電性測試，證實電化學(xué)處理前后的材料均具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，可以加速電子的轉(zhuǎn)移過程，從而使CO₂到CH₄的8電子轉(zhuǎn)移路徑能夠暢通運轉(zhuǎn)。通過設(shè)計對照實驗結(jié)合理論計算分析，證明氫鍵的形成確實能很好地穩(wěn)定特定的中間產(chǎn)物，從而顯著提高CH₄的選擇性。

該研究揭示了氫鍵的引入在CO₂電還原過程中的重要作用，并證明設(shè)計單一活性位點可以有效提高特定產(chǎn)物的選擇性，為后續(xù)設(shè)計合成催化劑，實現(xiàn)特定產(chǎn)物的高選擇性，提供了新思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國應(yīng)用化學(xué)》上（VIP文章），并被選為卷首插畫，福建物構(gòu)所博士后伊俊東、解瑞寬為論文的共同第一作者。研究工作得到科技部重點研發(fā)專項計劃、國家自然科學(xué)基金項目，以及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、前沿科學(xué)重點研究計劃、青年創(chuàng)新促進(jìn)會優(yōu)秀會員項目的資助。

福建物構(gòu)所導(dǎo)電MOF實現(xiàn)CO₂電化學(xué)甲烷化