全球气候变化带来的挑战日益严峻，国际社会对减少二氧化碳排放、实现碳中和的目标达成了广泛共识。为了应对这一全球性问题，科学家们正在积极探索各种策略，而将二氧化碳转化为有价值的化学品和燃料，不仅有助于降低大气中的温室气体浓度，还能为能源供应提供新的途径，成为备受关注的焦点。电催化还原二氧化碳（eCO₂RR）作为一种极具潜力的技术，受到了广泛关注，而其中，以铜为基础的纳米材料，特别是铜纳米簇，在eCO₂RR领域展现出令人瞩目的前景，为实现碳中和提供了新的希望。
鉴于传统二氧化碳还原催化剂主要依赖于贵金属，例如铂、钯等，其高昂的成本限制了大规模应用，寻找廉价、高效、稳定的替代材料变得至关重要。在这一背景下，研究人员将目光投向了铜。铜是一种储量丰富的金属，并且本身就具有一定的催化活性。 然而，单纯的铜材料在二氧化碳还原过程中往往面临着选择性低、效率不高等问题。为了克服这些挑战，科学家们开始探索对铜纳米结构进行精细调控的方法，其中，原子级精确的铜纳米簇（Cu NCs）成为了研究热点。
对铜纳米簇的结构进行精确控制是提升其催化性能的关键。
通过精细的结构调控，可以显著提升铜纳米簇的催化性能。例如，通过引入缺陷，可以有效调控铜纳米簇的电子结构，从而提高其对特定产物的选择性。不同研究机构的合作团队，例如Tohoku University、Tokyo University of Science和Vanderbilt University的研究人员，已经成功开发出一种原子级精确的铜纳米簇，这种纳米簇在电化学二氧化碳还原反应中表现出高度的稳定性以及卓越的选择性。研究人员发现，通过改变配体工程，可以调控铜纳米簇的稳定性以及二氧化碳还原的选择性，从而实现高效的碳转化。这种“配体工程”策略为设计高性能的铜基催化剂提供了新的思路。这不仅仅是材料科学的进步，更是对微观世界的一次精密设计，旨在精准控制催化剂的性能。
除了结构调控之外，研究人员还关注铜纳米簇与其他金属的协同效应，这如同一个团队协作，不同的成员各司其职，共同完成一项复杂的任务。例如，将铜与金掺杂，可以形成Au₁₅Cu₄纳米簇，这种纳米簇在气体扩散电极基膜电极组件（MEA）中表现出优异的eCO₂RR性能。MEA组件可以提高催化剂的活性和稳定性，从而实现更高的电流密度和更长的使用寿命。此外，研究人员还探索了铜纳米簇与离子液体的结合，利用离子液体的特殊性质，改善二氧化碳的溶解度和传质效率，从而提高催化反应速率。在加拿大，McGill University的研究人员设计了一种新型催化剂，利用微小的铜纳米簇将二氧化碳转化为甲烷，这为利用二氧化碳生产清洁能源提供了新的可能性。这一系列研究表明，通过巧妙地组合不同的材料，可以实现性能的协同增强，从而推动二氧化碳转化技术的进步。
在二氧化碳电还原效率的提升方面，研究人员已经取得了显著的进展。例如，在Applied Catalysis B: Environment and Energy发表的研究中，研究人员实现了超过1 A/cm²的甲烷选择性二氧化碳转化，这标志着铜纳米簇在二氧化碳转化领域取得了重大突破。更为重要的是，通过打破铜位点的配位对称性，可以有效调节二氧化碳电还原产物，从HCOOH/CO转向更高价的碳氢化合物，这为生产高附加值的化学品提供了可能。同时，研究人员利用先进的表征技术，如原位X射线吸收谱，实时观察了铜纳米粒子在二氧化碳还原过程中的演变，为理解催化机理提供了重要依据。 这些技术进步为未来二氧化碳转化技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
目前，对铜纳米簇的研究已经涵盖了合成方法、结构调控、催化机理以及实际应用等多个方面。然而，仍面临着一些挑战。例如，如何进一步提高铜纳米簇的稳定性，如何实现对产物选择性的精确控制，以及如何将实验室研究成果转化为工业应用等。未来，随着对铜纳米簇研究的不断深入，相信这种廉价、高效、环保的催化剂将在应对气候变化、实现碳中和目标方面发挥越来越重要的作用。通过不断优化纳米簇的设计和合成，并结合先进的电化学技术，我们有望开发出更具竞争力的二氧化碳转化技术，为构建可持续发展的未来贡献力量。
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