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电催化还原CO2为高附加值化学燃料是催化和能源领域的研究热点。电催化CO2为CH4需要转移八个最大数量的电子，探索这一过程对于理解CO2RR的性质具有重要意义。非贵金属过渡金属铜（Cu）是迄今为止催化CO2转化为多电子还原产物最可靠的金属材料。然而，在铜基电催化剂体系中实现CH4的高选择性仍然是一个巨大的挑战。
金属{attr}3221{/attr}配位化学中的Cu-C键对调节有机反应方向有很重要的作用。因此，可以利用Cu-C键来调节CO2到CH4的多电子反应过程，但是在纳米材料中构建Cu-C键仍充满挑战。由中科院化学所李玉良院士团队首次成功合成的石墨炔（Graphdiyne，GDY）材料是首例同时具有sp-sp2两种碳杂化的碳同素异形体。由于石墨炔优异的物理和化学性质，在各个研究领域取得了重要进展。石墨炔独特的炔键结构（−C≡C−C≡C−）能有效地稳定单原子，其特殊的电子结构，是构建Cu-C键的理想载体。
近期，天津理工大学材料学院王梅副教授与南开大学袁明鉴研究员、河南工业大学施国栋老师合作，将铜单原子原位高效锚定在石墨炔（GDY）上。利用石墨炔独特的富电子性质，首次在石墨炔锚定的Cu单原子电催化剂中构建了Cu-C键。并利用有机金属配位键Cu-C键，实现了高效电催化CO2还原为CH4。 通过X-射线吸收精细结构测量和分析（XANES, EXAFS）及DFT理论计算，证实了单原子铜的价态为+1价，同时证明了单原子铜与石墨炔中的炔碳之间形成了Cu-C键。Cu-C键的形成不但可以稳定单原子铜，更重要的是可以调节CO2还原为CH4的反应路径，为八电子的还原过程提供电子迁移的路径。Cu-C键的形成促进中间体*OCHO的形成，抑制析氢反应以及CO的生成，这使催化剂表现出优异的性能。 通过原位电化学拉曼光谱，证实了电催化过程中中间体*OCHO的形成。作者通过搭建电催化流动池，实现了法拉第效率81%的电催化CO2到CH4转化，产生CH4局部电流密度达到 -243 mA cm-2。本工作为构建高效二氧化碳还原电催化剂提供了新的思路。 论文信息 Constructing Cu−C Bonds in a Graphdiyne-Regulated Cu Single-Atom Electrocatalyst for CO2 Reduction to CH4 Dr. Guodong Shi, Prof. Yunlong Xie, Lili Du, Dr. Xinliang Fu, Xiaojie Chen, Dr. Wangjing Xie, Prof. Tong-Bu Lu, Prof. Mingjian Yuan, Prof. Mei Wang Angewandte Chemie International Edition
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