2025年2月25日，南开大学程雅慧、刘晖、天津大学刘辉、温州大学肖遥在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Electronic metal-support interaction modulates Cu electronic structures for CO2 electroreduction to desired products》的研究论文，Yong Zhang为论文第一作者，程雅慧、刘晖、刘辉、肖遥为论文共同通讯作者。
在本文中，作者以金属氧化物（Al2O3-CuSAC、CeO2-CuSAC和TiO2-CuSAC）支撑的Cu单原子催化剂（SACs）被作为理论模型，来探索电子结构与CO2RR性能之间的相关性。
对于这些催化剂，电子金属-载体相互作用（EMSI）通过Cu位点与载流子之间的电荷转移微妙地调节了Cu的电子结构，从而形成了不同的最高占据轨道。
Al2O3-CuSAC的最高占据3dyz轨道增强了CO的吸附强度，并通过3dyz-π*电子反供体作用削弱了C-O键。这降低了C-C耦合的能垒，从而促进了Al2O3-CuSAC上多碳的形成。
TiO2-CuSAC中最高占据的3dz2轨道加速了H2O活化，并降低了形成CH4的反应能量。这种过度活化的H2O反过来又加剧了竞争性析氢反应（HER），这阻碍了在TiO2-CuSAC上高选择性生产CH4。
CeO2-CuSAC的3dx2-y2轨道占据率最高，促进了CO2活化，而其局域电子态抑制了C-C偶联。
CeO2-CuSAC适度的水活性有助于*CO深度加氢而不过度激活HER。在400 mA cm-2的电流密度下，CeO2-CuSAC表现出最高的CH4法拉第效率（70.3%）。
综上，作者通过原子层沉积（ALD）技术制备了负载于不同金属氧化物（Al2O3、CeO2和TiO2）上的铜单原子催化剂（SACs），并结合密度泛函理论（DFT）计算和实验验证，深入探讨了电子金属-载流子相互作用（EMSI）对铜电子结构的调控及其在CO2电还原（CO2RR）中的性能影响。
研究发现，不同载体的EMSI显著改变了铜的电子结构，从而影响CO2RR产物的选择性。其中，CeO2负载的铜单原子催化剂（CeO2-CuSAC）在400 mA cm-2的电流密度下实现了70.3%的甲烷法拉第效率（FE），表现出优异的性能。
该研究不仅为设计高选择性CO2电还原催化剂提供了理论指导，还为工业规模的CO2转化和利用提供了潜在的应用方案，有助于推动可持续化学合成和碳循环技术的发展。
Zhang, Y., Chen, F., Yang, X. et al. Electronic metal-support interaction modulates Cu electronic structures for CO2 electroreduction to desired products. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57307-6.
