电催化还原二氧化碳（ECO2R）产物选择性调控受限于中间体传输与其表面覆盖度的动态平衡。近年来，空腔结构催化剂因其限域效应在调控反应微环境中展现出独特优势。通过物理约束关键中间体（如*CO），可定向改变反应动力学路径。尽管已有研究证实了空腔结构能够显著提高Cu基催化剂的产物选择性。然而，现有研究多聚焦于对特定产物选择性的优化，缺乏通过结构参数（如空腔尺寸和壳层厚度）动态调节*CO覆盖度以实现产物切换的机制研究。而*CO覆盖度的微小差异往往直接决定ECO2R趋向于加氢或C-C偶联。此外，催化剂结构的转变通常伴随着ECO2R过程中催化剂与溶液界面局部pH的显著变化，这对于最终产物的选择性影响是巨大的。
针对上述问题，西安交通大学能源与动力工程学院徐浩教授团队提出了“结构工程驱动反应路径切换”的新策略，通过精确设计具有Au核和Cu2O壳的 Au@Cu2O-x卵黄-壳纳米反应器，揭示了结构工程驱动ECO2R产物选择性动态切换的限域催化机制。原位光谱表明，Au@Cu2O-x独特的卵黄-壳结构能够调控催化剂表面的局部质子供应，并影响反应中间体的生成，从而实现对ECO2R产物的定向调控。FEM模拟和DFT计算结果证实，微调壳厚度和空腔尺寸能够改变CO2向纳米反应器内部的渗透能力，并调节*CO在空腔内的覆盖度，进而改变ECO2R反应路径。壳厚度和空腔尺寸的适当提高能够限制部分*CO的外溢和偶联，从而影响最终的产物分布。通过负载量梯度实验证实，单颗粒限域效应主导了低负载条件的ECO2R，而高负载下颗粒串扰引发了C-C偶联增强。本研究建立了催化剂几何尺寸，中间体覆盖度和产物FE之间的相关性，为催化剂空间几何形貌控制反应途径提供了新的机理认识。
该研究结果以“空腔限域Au@Cu2O卵黄-壳纳米反应器实现可切换CH4/C2H4选择性”（Cavity-Confined Au@Cu2O Yolk-Shell Nanoreactors Enable Switchable CH4/C2H4 Selectivity）为题，在国际著名期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上发表。西安交通大学能动学院博士生张泽坤为论文的第一作者，徐浩教授为论文的唯一通讯作者。论文共同作者包括西北工业大学化工学院郭华博士（西安交大2023届校友）、绿色氢电全国重点实验室李明涛副教授、西安交通大学能动学院延卫教授。该工作得到了国家自然科学基金的资助以及西安交通大学分析测试中心在测试表征方面的帮助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62875-8
徐浩教授课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/web/xuhao/
