本网讯（化学化工学院 王红明）近日，我校王红明教授和单文哲副研究员团队合作在拓扑材料催化和二氧化碳资源化利用领域取得重要进展，研究成果以“Efficient Conversion of CO2 to Ethanol by Utilizing the Topological Surface States of Rare-Earth Cuprates”为题发表于纳米材料领域顶级期刊Nano Letters。南昌大学为唯一署名单位，第一作者是我校王明达博士研究生，博士研究生舒敏兴为共同作者，王红明教授、单文哲副研究员为共同通讯作者。该研究为二氧化碳电催化还原制备高附加值燃料提供了全新策略，并推动了拓扑材料在能源催化领域的应用。

电催化二氧化碳还原技术（CO₂RR）是实现碳中和目标的关键路径之一，可将CO₂转化为乙醇等高能量密度燃料。然而，传统铜基催化剂存在产物选择性低、反应路径复杂、稳定性差等问题，严重制约其工业化应用。针对这一挑战，合作团队创新性地提出利用稀土铜酸盐的拓扑表面态（TSS）特性，突破催化性能瓶颈，实现了二氧化碳高效定向转化为乙醇。通过理论计算筛选了14种镧系铜酸盐材料，发现Pr₂CuO₄具有其独特的拓扑表面态和电子结构(图1c)，且具有很好地将CO2还原成单一C2产物的潜力。

图1 研究流程示意图和稀土铜酸化合物表面态图

实验表明，该催化剂在-1.1 V电位下，乙醇法拉第效率达67%，电流密度高达220 mA cm⁻²(图2b)，相比对比材料具有更好的产物选择性(图2c)，并稳定运行超过15小时(图2e)，性能超过了传统铜基催化剂。通过原位拉曼表征手段，证实稀土元素Pr在电催化二氧化碳过程中也作为活性位点，促进了C-C偶联（图3g,h）。 通过DFT计算表明Cu dx2-y2和dz2轨道为主要的拓扑能带贡献轨道（图3 a, b）。当关键中间体的C p轨道与Cu dx2-y2和dz2轨道之间存在强相互作用（图3c），拓扑表面态的存在可以增强电荷转移，从而降低反应路径吉布斯自由能，促进CO2到乙醇的转化。

图2 电催化CO2RR性能

图3 能带和态密度（PDOS）分析

该研究创新性将拓扑材料引入二氧化碳电催化还原领域，突破了传统催化剂设计思路，为开发高效、稳定的催化剂开辟了新方向。同时，团队充分利用江西稀土资源优势，实现了“资源-技术-应用”的闭环，为稀土材料的高价值化利用提供了范例。与同类研究相比，该成果在电流密度、选择性和稳定性等关键指标上均达到国际领先水平，且成本可控，具备工业化应用潜力。此项研究不仅为二氧化碳资源化利用提供了创新解决方案，也为拓扑材料在能源催化、化工合成等领域的应用奠定了基础。研究得到了国家自然科学基金、江西省重点研发计划等项目的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05719

审校：许航、涂金凤、程慧萍