堪称宇宙第一材料天团！EdwardH.Sargent院士，新发NatureCatalysis！

正丙醇作为一种重要的工业溶剂，但其现有的生产路线依赖于化石燃料，导致二氧化碳排放量高。用可再生能源驱动的电化学系统替代化石燃料工艺，为降低正丙醇生产的碳强度提供了一种途径。通过一氧化碳电还原合成正丙醇依赖于C1和C2中间体的耦合，这些中间体优先在不同位点上稳定。

在此，加拿大多伦多大学Edward H. Sargent院士，David Sinton院士和浙江大学侯阳教授等人致力于合成催化剂，其中高氧亲和力金属（本文中最佳催化剂中的锡）以稀薄量存在于铜基体中，然后将锡-铜催化剂制成催化剂/碳/离聚物异质结结构，该结构通过反转电渗拖曳来浓缩生成的正丙醇。结果显示，本文实现了用CO实现了正丙醇的电合成，其法拉第效率为47±3%，浓度为30 wt%，能量效率为24%，且在膜电极组件电解槽中报告了120小时稳定的正丙醇电合成。

相关文章以“Electrified synthesis ofn-propanol using a dilute alloy catalyst”为题发表在Nature Catalysis上！这也是Edward H. Sargent教授在Nature及Nature子刊上的第140篇论文！

化工行业占全球工业能源需求的28%，目前主要依赖化石燃料，导致大量二氧化碳（CO2）排放。正丙醇是一种重要的工业溶剂，广泛应用于涂料、颜料、染料、作为燃料添加剂以及在油漆中，其市场规模达到每年30亿美元。此外，正丙醇在温和条件下容易脱水生成丙烯，丙烯是聚丙烯、环氧丙烷（用于聚氨酯）和丙烯腈的前体，年产量达1300亿美元。目前，正丙醇的生产主要通过两步法实现：首先是在20 MPa、约80-150℃的条件下，通过乙烯的加氢甲酰化反应生成丙醛，随后通过丙醛的加氢反应生成正丙醇，这一过程的原材料和排放导致每生产一吨正丙醇会产生超过4吨的CO2当量。

使用低碳电力的电化学合成正丙醇可以消耗CO2（例如从空气中捕获的CO2），从而大幅减少碳排放。然而，直接从CO2电还原（CO2R）合成正丙醇存在能量效率有限以及CO2损失的问题，后者是由于碳酸盐和/或碳酸氢盐的形成，需要额外的CO2再生步骤，这一过程能耗较高。以往关于CO电合成正丙醇的高效报告中，正丙醇的能量效率为16%，浓度低于1 wt%。由于正丙醇的生产需要C1-C1和C1-C2的耦合，在相邻活性位点上生成相关的C1和C2中间体可能是一条高效的途径。

正丙醇电合成的催化剂设计

在此，采用了一种材料合成策略，制备出具有紧密邻近的C1和C2生成活性位点的催化剂。最终得到的锡铜（Sn-Cu）稀薄合金催化剂在正丙醇生产中实现了47±3%的法拉第效率（FE）和24%的能量效率。同时，通过反转局部电渗阻力并延长正丙醇的扩散路径，提高了正丙醇的浓度。通过将催化剂策略与电极系统工程相结合，在Sn–Cu催化剂上制备了碳/离聚物复合层，构建了催化剂/碳/离聚物异质结（CCIH），并发现这可以抑制正丙醇的交叉，从而促进在阴极处收集高浓度的正丙醇，使正丙醇产品浓度达到30 wt%。基于实验测量的性能，假设使用风能作为低碳电力，并假设通过直接空气捕获获得CO2，估计正丙醇生产过程的CO2当量为每吨正丙醇-1.5吨（tCO2eq/t正丙醇），相比之下，目前的值为+4.4 tCO2eq/t正丙醇。

图1：利用可再生能源电合成正丙醇

材料合成和机理研究

作者通过溶热-电化学还原法合成了Sn-Cu稀薄合金催化剂，并类比制备了Zn-Cu、Ga-Cu、In-Cu、Sb-Cu、Pb-Cu和Bi--Cu等合金用于对比。TEM图像显示Sn-Cu具有0.21 nm的晶格间距，对应Cu的(111)晶面，未见结晶态Sn特征。同时，EDX显示Sn和Cu均匀分散，HAADF-STEM能够分辨出被黄圈标出的孤立Sn原子。此外，使用原位X射线吸收光谱（XAS）用于研究电化学一氧化碳还原（COR）过程中催化剂的状态。原位扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）分析显示，Sn-Cu的Cu K-edge EXAFS谱在约2.2 Å处有主峰，表明Cu处于金属态。Sn K-edge EXAFS谱在约2.2 Å处有主峰（Sn–Cu配位），约1.5 Å处有肩峰（Sn–O配位），后者源于中间体中的O与Sn原子相互作用。EXAFS拟合分析表明，Sn在Cu基体上原子级分散，形成原子级相邻的Sn-Cu双原子位点。

图2：电催化剂的设计标准和结构

作者进一步通过原位衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATR-SEIRAS）和原位拉曼光谱，揭示了Sn–Cu稀薄合金催化剂在CO电还原合成正丙醇过程中的反应中间体和作用机制。在高覆盖率（10%）的Sn-Cu样品中，观察到与甲烷生成相关的氧键合C1中间体（如*CHO和*OCH3）的特征峰，表明其倾向于生成甲烷。而在Sn-Cu上，1562 cm-1和1713 cm-1处的CO伸缩带归因于*OCCOH，且随电位增加而增强，暗示*OCCOH在C1–C2耦合中起关键作用，通过攻击*CH2O-b生成正丙醇。此外，原位拉曼光谱显示，Sn–Cu上Cu–CO伸缩带未发生偏移，表明Sn掺杂对Cu–CO吸附影响较小，而LFB CO（线性吸附CO）在Sn–Cu上显著增强，表明其有利于C–C耦合。这些结果表明，Sn–Cu催化剂通过优化中间体吸附构型和促进C1–C2耦合，显著提高了正丙醇的选择性和产率。

图3：原位ATR-SEIRAS研究

催化正丙醇电合成

作者在膜电极组件（MEA）电解槽中评估了一氧化碳电还原（COR）的电化学性能，并优化了催化剂负载量和电解液浓度。在3 M KOH中，优化后的Sn–Cu原子级稀薄合金电极实现了C2+产物的法拉第效率（FE）超过96%，H2FE低于4%，在100-200 mA cm-2的电流密度范围内表现稳定。同时，Sn–Cu电极在150 mA cm-2时达到47±3%的正丙醇FE，实现了24%的正丙醇能量效率，这一效率是此前最高效正丙醇电合成研究的1.5倍。相比之下，纯铜电极在100 mA cm-2时对正丙醇的最大FE为24%，能量效率为12%。此外，通过优化电极几何结构，Sn–Cu电极在16 cm2的电催化系统中实现了88%的CO单程转化效率（SPCE）和47±3%的正丙醇FE。在MEA电解槽中进行的120小时稳定性测试表明，电压和FE在运行期间变化不超过7%。这些结果表明，Sn–Cu电极在电催化合成正丙醇过程中具有优异的性能和稳定性。

图4：Sn-Cu原子稀释合金催化剂制备正丙醇的性能

综上所述，本研究报道了一种稀薄合金催化剂，通过邻近的活性位点稳定相关的C1和C2中间体。通过将这种催化剂设计策略与电极系统工程相结合，构建了基于Sn-Cu稀薄合金催化剂的催化剂/碳/离聚物异质结（CCIH）架构。在150 mA cm-2的条件下，实现了正丙醇的法拉第效率（FE）为47±3%，产品浓度为30 wt%，单程CO转化率为88%，电解槽能量效率为24%，并在膜电极组件（MEA）电解槽中实现了120小时的稳定性。生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）表明，以这种方式生产的正丙醇有潜力促进化工生产的脱碳。

Edward H. Sargent，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大科技部纳米技术分部主席，InVisage Technologies 创始人，Xagenic共同创始人，AAAS会士，IEEE会士，ACS Photonics副主编。Edward H. Sargen教授是材料学和光子学邻域世界著名科学家，因其在可溶相处理的半导体太阳能电池和光探测器研究中所作出的杰出贡献，当选Fellow of the AAAS；因其在胶体量子点光电子器件研究中所作出的贡献，当选Fellow of the IEEE；因其在利用量子限域材料制备全光谱太阳能电池和超灵敏光探测器研究中所作出的贡献，当选加拿大工程院院士。

侯阳，浙江大学长聘教授，求是特聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，现任浙大宁波理工学院生物与化学工程学院院长，浙江大学氢能研究院制氢技术中心主任，浙江大学“百人计划”入选者。主要从事碳中和与绿氢等领域的科研工作，包括太阳能驱动光电/电化学水裂解制绿氢、二氧化碳催化转化制高附加值化学品、锂离子电池和超级电容器及动力电池等。迄今为止，已在Nat. Catal., Angew. Chem. Int. Ed., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Nat. Commun.等国际权威期刊上发表学术论文300余篇，论文总被引用超过30,000余次，H因子为95。40余篇论文入选ESI高被引和ESI热点论文。

David Sinton，多伦多大学机械与工业工程系教授，也是加拿大能源与流体研究主席。他是气候正能源倡议的学术主任，也是CANSTOREnergy NFRF-T 研究项目的主任。是加拿大机械工程学会、美国机械工程师学会、加拿大工程研究所、美国科学促进会、加拿大工程院和加拿大皇家学会的研究员。研究领域为热流体，材料。

Yuanjun Chen, Xinyue Wang, Xiao-Yan Li, Rui Kai Miao, Juncai Dong, Zilin Zhao, Chuhao Liu, Jianan Erick Huang, Jinhong Wu, Senlin Chu, Weiyan Ni, Zunmin Guo, Yi Xu, Pengfei Ou, Bingjun Xu, Yang Hou, David Sinton, Edward H. Sargent,Electrified synthesis ofn-propanol using a dilute alloy catalyst,Nature Catalysis, https://doi.org/10.1038/s41929-025-01301-0