本网讯 近日，中南大学物理学院刘敏教授、傅俊伟副教授与慕尼黑大学Emiliano Corté教授等合作，在国际顶级刊物《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上发表了“通过活性位点再生，超过1000小时高效分解全氟化碳”和“打破铜纳米针的K+浓度限制，用于酸性电催化CO₂还原为多碳产物”的研究论文2篇，介绍了在电解铝烟气中温室气体高效减排连续取得的重要进展。中南大学物理学院为该项研究成果的第一完成单位，博士研究生张行为第一篇论文的第一作者，硕士研究生资鑫以及硕士毕业生周亚娇为第二篇论文的共同第一作者，刘敏教授、傅俊伟副教授和Emiliano Corté教授为论文共同通讯作者。

我国是电解铝行业大国，据统计，2022年我国铝金属产能和产量分别突破4467万吨和4043万吨，占世界总产量的59.06%，连续21年位居世界第一。电解铝烟气的主要组分包括粉尘（氧化铝、金属氟化物等）、氟化氢（HF）、二氧化碳（CO₂）、四氟化碳（CF₄）、二氧化硫（SO₂）等。其中，对环境影响最为严重的是排放的温室气体，如CF₄和CO₂。据2022年数据显示，我国电解铝行业产生的CO₂约达到5.5亿吨，占全社会CO₂净排放总量的5%。除CO₂外，电解铝烟气中的CF₄属于强温室气体，其温室效应指数为CO₂的7390倍，已被列入《京都议定书》和欧盟碳边境法案的重要温室气体减排清单。2022年，电解铝行业排放CF₄约为8万吨，其对温室效应的影响等同于6.1亿吨CO₂当量。此外，CF₄由于其高度对称的单碳结构和最强的C-F键能(550 kJ mol-1)，具有极长的大气寿命（50000年），这意味着其对大气环境的影响几乎是永久性的。为了实现我国“碳达峰，碳中和”的双碳战略目标，降低温室气体对环境的影响，针对CF₄这类强温室气体的处理迫在眉睫，如何在低温温和条件下全量稳定降解CF₄成为了电解铝行业关注的难题。

Ga掺杂协助中毒Al活性位点脱氟再生机理示意图

催化水解是一种可行的降解CF₄的方法，但氟中毒严重限制了催化性能和催化剂寿命。在这项研究中，引入Ga可以有效协助有毒Al活性位点的脱氟，从而在600⁰C下高效分解CF₄，催化寿命超过1000 h。通过27Al和71Ga魔角旋转核磁共振波谱(MAS NMR)分析表明，引入的Ga以四配位Ga位点(GaIV)的形式存在，很容易离解水形成Ga-OH。原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)和密度函数理论(DFT)计算证实，Ga-OH通过类似脱水的过程帮助中毒Al活性位点脱氟。因此，Ga/Al2O3催化剂实现了100% CF₄分解效率，保持了超过1000 h的催化寿命，这远优于此前报道的实验结果。这项工作提出了一种通过促进活性位点再生来实现高效且稳定地催化CF₄分解的新方法。

电催化CO₂还原性能图

电催化CO₂还原反应(CO₂RR)在酸性电解液中生成多碳产物(C²⁺)是解决当前气候和能源危机的最先进途径之一。然而，析氢反应(HER)的竞争性和对有价值的C²⁺产物的选择性差，是这些技术升级的主要障碍。阴极表面高浓度的局部钾离子(K⁺)可以抑制质子扩散，加速理想的碳-碳(C-C)偶联过程，然而，钾盐在体溶液中的溶解度限制了反应部位的K⁺浓度和大多数电催化剂的酸性CO₂RR性能。在这项工作中，该研究证明了Cu纳米针诱导了超高的局部K⁺浓度(4.22 M)，打破了K⁺的溶解度极限(3.5 M)，这使得在pH = 1的3 M KCl中实现了高效的CO2RR。结果表明，在1.4 A cm-2时，C²⁺ (FEC²⁺)的法拉第效率为90.69±2.15%，同时在7 sccm的CO₂流量下，碳单程转化率(SPCE)为25.49±0.82%。这些工作为电解铝烟气中温室气体高效减排提供了实际应用的新方法。

该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省杰出青年基金、湖南省重点研发项目、粉末冶金国家重点实验室以及中南大学高性能计算公共平台的支持。

（一审：于涛 二审：邓皓迪 三审：李殷）