总结：围绕CO₂电还原反应（CO₂RR）领域，系统阐述了为什么铜（Cu）基材料成为该领域应用最广泛、研究最深入的催化剂。
Cu基催化剂不仅能高效生成一碳和多碳产物，还具备中等CO吸附活性、丰富的结构和电子调控空间、界面协同效应突出，以及良好的装置兼容性等独特优势。
结合四篇高水平代表性文献，从单原子/团簇协同、界面工程、动力学机制到多碳产物生成路径等多角度，论证了Cu基材料在高效CO₂转化、C–C偶联及高附加值产物选择性等方面的结构-性能关联与设计策略，并展望了通过理论与实验结合、界面精准调控推动Cu基CO₂RR催化剂持续创新与实际应用的广阔前景。
随着全球碳中和战略的推进，电催化CO₂还原反应（CO₂RR）成为实现碳资源循环利用与绿色能源生产的重要前沿方向。
CO₂RR可将温室气体CO₂转化为高附加值的碳一（CO、甲醇、甲烷等）和碳二以上（乙烯、乙醇、丙醇等）产物，在能源、化工和环境领域具有极高的应用前景。
然而，由于CO₂分子结构的高稳定性，其有效转化不仅需要活性强、选择性高的催化剂，更需要对反应路径、界面微环境等实现精细调控。
在众多电催化材料中，铜（Cu）基材料表现出独特的CO₂RR产物多样性和高效C–C偶联能力，是目前唯一能够高效电还原CO₂为多碳产物的金属催化剂。这一特性不仅在基础科学上引发广泛关注，也为合成燃料和绿色化工原料提供了新途径。
多碳产物生成能力突出：与Au、Ag、Sn等金属相比，Cu基催化剂不仅能高效生成CO、甲烷等C₁产物，更能独特地催化形成乙烯、乙醇、丙醇等C₂+多碳产物。这对于可再生化工原料和碳中和路径设计意义重大。
中等强度的CO吸附与活化：Cu对CO的吸附和活化能力适中，既能促进CO中间体的生成与累积，又不会因过强结合抑制其进一步还原、偶联为C₂+产物。这是Cu区别于Ag（只产CO）和Ni、Fe（易被氢覆盖生成氢气）的关键。
表面结构与电子性质可调：Cu的多晶面（如(100)、(111)、台阶位等）赋予其丰富的催化位点类型，可通过表面工程（合金化、氧化物调控、单原子配位等）进一步提升选择性和催化效率。
界面协同效应与助催化设计：近年来，合金化、杂原子掺杂、载体调控等新策略显著提升了Cu基催化剂的稳定性、活性和多碳产物法拉第效率。例如Cu–Zn、Cu–SiOx、Cu–N配位等结构，均显著增强了CO₂活化和中间体偶联能力。
应用平台兼容性强：Cu基材料可适配气体扩散电极、膜电极（MEA）、流动电解槽等多种反应器，为规模化CO₂电还原技术应用奠定了材料基础。
该研究通过构建Zn单原子和CuNx团簇协同锚定在N掺杂碳骨架上的新型双功能催化剂（CuZnNx@C-N），极大提升了CO₂热催化还原为CO的活性和选择性。
研究发现，单分散Zn-N₄结构显著富集吡啶N，增强CO₂和*COOH中间体的吸附与活化能力，而CuNx团簇则兼具H₂活化和与Zn-N₄协同促进CO₂加氢还原的作用。
该催化剂在常压下的CO₂转化率高达43.6%，远超传统Cu-ZnO体系，并接近CO₂热力学平衡极限。
重要的是，该工作证明了通过原位高温重分散与结构调控，可实现Cu–Zn界面与单原子配位的协同增效机制，极大拓展了Cu基材料在热化学与电化学CO₂还原领域的应用空间，揭示了“单原子–团簇”耦合调控在新一代CO₂还原催化剂中的巨大潜力。
该体系不仅有助于CO₂高效转化，也为后续的C₂+产物设计提供了多功能催化界面的基础。
DOI: 10.1002/adfm.202214215
Li等在Nature Communications报道了一种通过二氧化硅修饰Cu表面构建Cu–SiOx界
面活性位点的新策略。
DFT理论和实验表明，SiOx的引入可显著降低OCOH和OCCOH中间体的形成能——这两步分别是CO₂还原中CO生成和C–C偶联为乙烯的关键。这一界面位点不仅为CO₂活化和关键中间体累积提供了丰富的活性位点，还通过电子耦合调节反应路径，实现了乙烯法拉第效率高达65%（>215 mA/cm²）的突破，并在实际膜电极反应器中实现了长时间稳定运行。该工作强调了表面结构调控对提升Cu基多碳产物生成能力的核心作用，拓展了Cu基材料在实际CO₂电解池规模化应用中的可行性。通过合适的氧化物调控策略，Cu–SiOx催化剂显著提升了C₂产物生成的选择性和活性，证明了表界面工程对于高性能Cu基CO₂RR的决定性意义。DOI:10.1038/s41467-021-23023-0Nie等在Angewandte Chemie系统研究了Cu电极上CO₂还原各基本反应步的动力学与选择性决定机制。通过首次将电极界面的电荷转移动力学与DFT能垒计算相结合，发现Cu独特的CO吸附强度与表面结构，决定了其既能高效生成CH₄、C₂H₄等多碳产物，又与传统气相Cu催化剂以甲醇为主的路径形成鲜明对比。研究指出，CO*的生成与后续的C–C偶联、COH/CHO等中间体的转化步骤才是CO₂RR产物选择性的真正决定环节，CO的中等吸附能力既促进了CO中间体的富集与二聚，又避免了其过度结合导致的反应停滞。该机制揭示了Cu表面电子结构与动力学参数对产物分布的内在调控逻辑，也为Cu基材料的多碳产物高效生成提供了理论依据。该文奠定了Cu基催化剂动力学–结构–选择性耦合调控的研究范式，对今后催化剂分子设计和实验表征具有重要指导意义。DOI: 10.1002/ange.201208320da Silva等通过对CO和乙醛在Cu电极表面的竞争吸附及还原行为的系统考察，揭示了n-丙醇等C₃产物生成过程中关键中间体的协同与竞争机制。实验表明，CO和乙醛的局部浓度及其在Cu表面的吸附比例是决定丙醇产率的关键因素。合适的CO与乙醛比例可显著提升丙醇的生成，而过高CO浓度则抑制乙醛相关中间体的吸附与转化，导致C₃产物效率下降。该研究不仅证实了Cu基材料对CO和C₂中间体吸附的中等亲和性和高度可调控性，也进一步拓展了Cu基材料在多碳醇类产物电还原中的应用场景。该成果强调了表界面中间体浓度管理和反应微环境调控对高效生成多碳醇类产物的核心作用，为Cu基材料的界面微观设计提供了理论和实验支撑。DOI: 10.1021/acscatal.3c00190
铜基材料之所以成为CO₂RR领域应用最广、研究最深入的催化剂，是由于其兼具多碳产物生成能力、中等CO吸附活性、结构和电子可调、界面协同可塑以及与应用装置的良好兼容性。
近年来，借助单原子设计、合金化、杂原子掺杂、表面工程等新策略，Cu基材料的催化活性、选择性和稳定性实现了持续突破。
上述四篇高水平代表性文献系统揭示了Cu基催化剂在CO₂还原催化中的结构–性能–机制内核，也为今后开发更高效、更可控的CO₂电还原多碳产物催化体系提供了理论与方法论借鉴。
未来，理论与实验结合、界面反应微环境精准调控、以及多尺度反应动力学建模，将成为推动Cu基CO₂RR催化剂持续创新的重要方向。随着高通量材料筛选、原位表征技术和电解池工程化进展，Cu基材料在CO₂减排和绿色化工中的实际应用潜力也将进一步释放。
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