來源：Chemical & Engineering News (C&EN) | 原文鏈接：點擊查看原文 | 發布日期：2026年4月6日
將大氣中泛濫的二氧化碳轉化為有用的化工原料，一直是科學界追逐的終極目標之一。然而，現有的電催化技術在效率和選擇性方面始終存在明顯短板——反應中間體過于活躍，容易生成不需要的副產品（如氫氣和碳酸鹽），導致目標產物的產率偏低。如今，一項來自中國科學院的創新研究為這一難題帶來了全新的解法：在銅催化劑表面構筑"分子圍欄"，模擬酶的催化機制，將二氧化碳高效電催化轉化為乙烯，選擇性高達64%。
靈感來源：酶的精妙設計
這項研究的核心靈感來自生物體內酶催化反應的運作方式。在生命系統中，酶通過精確的活性位點將底物牢牢固定在特定空間，從而極大提高了反應效率和選擇性。中國科學院福建物質結構研究所的材料科學家柴國良（Guoliang Chai）團隊由此得到啟發：能否在人工催化劑表面實現類似的"空間限制效應"？
研究團隊設計了一種苯并-2,1,3-噻二唑（benzothiadiazole）有機分子，使其能在銅-鋯復合催化劑表面發生有序自組裝，形成一圈致密的"分子圍欄"。這些有機小分子就像一道微型防護墻，將二氧化碳電催化還原過程中的關鍵中間體束縛在催化表面附近，為碳-碳（C-C）鍵的形成創造了更有利的局部微環境。
核心創新：解耦酸堿界面，兼顧效率與選擇性
CO2電還原反應長期面臨一個兩難困境：在堿性電解液中，雖然C-C偶聯效率較高，但CO2會與OH-離子反應生成碳酸鹽，不僅浪費原料，還會堵塞催化劑的活性位點；而在酸性條件下，雖然避免了碳酸鹽的生成，但質子競爭還原會大量產生氫氣，嚴重降低對目標產物（乙烯）的選擇性。
柴國良團隊的"分子圍欄"策略巧妙地化解了這一矛盾。通過在銅催化劑表面構建有機分子層，研究人員成功實現了體相溶液的酸性pH與催化界面的堿性微環境之間的"解耦"：體相溶液維持酸性，有效抑制碳酸鹽的生成；而催化表面的局部堿性微環境則促進了C-C鍵的偶聯，驅動乙烯的高效生成。這種精妙的pH分區設計，使得整個體系在保持工業級電流密度的同時，對乙烯的選擇性達到了令人矚目的64%，顯著高于此前的報道水平。
值得關注的是，該體系不僅能高效生成乙烯（C2產物），還能進一步合成丙醇和丙烯等更長鏈的碳氫化合物（C3產物），展示了"分子圍欄"在調控碳鏈延長方面的潛力。
專家評價：與最優體系旗鼓相當，產業化潛力突出
來自阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的電化學家Reginaldo J. Gomes對這項研究給予了高度評價，認為該技術"與目前已報道的最優體系相比具有高度競爭力"，并特別贊賞了研究團隊通過精細的界面設計實現高選擇性的創新思路。
比利時微電子研究中心（Imec）的Ya-Mi Chuang則重點指出了該技術在產業化方面的獨特優勢："該體系兼容流動電解池（flow cell）結構，且能夠在工業相關的高電流密度下穩定運行，這對于未來的規模化應用至關重要。"
應用展望：從碳利用到多場景催化
乙烯是全球最重要的化工基礎原料之一，廣泛用于生產塑料、合成纖維和溶劑，全球年產量超過2億噸，主要依賴石油裂解工藝。如果能夠用可再生能源驅動的CO2電催化技術替代部分傳統生產路徑，將極大降低化工行業的碳排放。柴國良團隊正在積極推進該技術的應用拓展，一方面探索將"分子圍欄"策略應用于氧還原、硝酸鹽還原等其他重要電催化過程，另一方面積極尋求與工業界的合作，計劃建設示范工廠，進一步驗證技術的商業化可行性。
研究團隊：中國科學院福建物質結構研究所，通訊作者：柴國良（Guoliang Chai）；報道記者：Fernando Gomollon Bel；發表于 Chemical & Engineering News，2026年4月6日。