将二氧化碳（CO2）转化为有用的燃料和化学品，就像把“废气”变成“宝藏”，是实现绿色能源与碳中和目标的重要一环。然而，这条转化之路在中性水环境中却充满挑战：催化剂表面就像一条热闹的“流水线”，不仅容易生产我们需要的产品，还常常“分心”去大量制造氢气（H2）；而CO2分子本身结构稳定，如同一个“顽固的客人”，难以被请进反应链条中高效转化。传统的铜基催化剂虽然有一定转化能力，但其“生产线”管理粗放，产物杂乱、效率不高，始终难以突破“做得慢”且“做不纯”的瓶颈。
近年来，科学家发现一类结构规整、像“分子公寓”一样的多孔铜基材料（CuMOF），其内部空间排列有序、金属位点清晰可控，被视为安置CO2并进行转化的“理想平台”。不过，要在这样的“公寓”里精准“装修”出新的活性位点，同时不破坏原本精巧的“房屋结构”，一直是材料设计领域的一道精细难题——这就像要在维持房屋主体不变的前提下，只在特定房间内加装高性能的“催化设备”，考验的是极致的精准与可控。
针对这一科学问题，华中科技大学材料科学与工程学院单斌教授与机械科学与工程学院杨帆副教授、陈蓉教授团队，发展了一种名为“气相原子层渗透（ALI）”的精密合成策略。该工作证实，通过在CuMOF骨架中原子级精度地引入锡（Sn）物种，能够成功构建出稳定的Cu-O-Sn-O-Sn-O-Cu活性中心，在不破坏框架整体性的前提下，显著优化其电催化还原CO2反应（CO2RR）的催化微环境与反应路径。相关成果以“Engineering of Sn-O-Sn Sites in CuMOF via Atomic Layer Infiltration for Efficient CO2RR in Neutral Aqueous Media”为题，发表于期刊《Small》。微纳中心硕士曾妮为第一作者，其他作者包括硕士张志鸿、博士宋吉升和高宇欣，通讯作者为杨帆副教授、单斌教授。
研究团队采用的ALI技术，犹如在既有的建筑框架内进行原子尺度的“精装修”。他们在一种名为CuBDC的铜基多孔骨架中，成功植入了Sn原子，构建出独特的Cu-O-Sn-O-Sn-O-Cu活性结构。这种结构就像在材料内部设计了一个个微型的“分子捕碳笼”，能够更有效地捕获并转化CO2（图1）。
研究的关键在于精密的控制。通过调节“原子层渗透”的循环次数，团队实现了Sn原子在骨架中的均匀分布，同时完美保持了材料原有的形貌（图2）。最优化的样品被称为7SnCuBDC。
为确认“分子精装修”的效果，研究团队对材料进行了一次系统性“体检”。多种表征手段（图3）共同证实：Sn-O物种已精准引入CuBDC孔道中，材料的晶体骨架保持完整，并成功构建出Cu-O-Sn新键。孔隙分析也显示结构发生了合理调整，印证了Sn-O活性簇的成功植入。结合理论计算进一步表明，该方法能稳定形成Cu-O-Sn-O-Sn-O-Cu活性中心。这些结果共同说明，活性位点已被精准构筑于骨架之中，为其优异的催化性能奠定了扎实的结构基础。
性能测试结果令人振奋。在电催化CO2RR中，这款新型催化剂展现出了极高的“择性”（图4）。它将目标产物一氧化碳（CO）的选择性从原始材料的15%大幅提升至99%，同时大幅度压制了H2的生成。这意味着，输入的电能大量作用于“生产”我们想要的CO，极大地减少了能源浪费。此外，催化剂的工作电压需求降低，电流密度也表现较好，综合性能超越了此前报道的多数同类催化剂。
为什么会有如此显著的提升？研究团队通过一系列深入的机理研究揭示了奥秘（图5）。新引入的Sn-O-Sn单元扮演了多重角色：首先，它优化了材料内部的电子传导能力，让反应更快进行；其次，它增加了催化剂的“有效工作面积”，提供了更多的反应位点。
实验观测与理论模拟进一步揭示了该机理。原位光谱监测捕捉到了反应中形成的Sn‑CO中间体信号，如同找到了化学反应中的“关键证人”，直观证明了活性位点在催化过程中能够稳定发挥作用。计算模拟进一步显示，Sn‑O‑Sn位点能更牢固地吸附CO2，并将关键中间体COOH*的生成从“需耗能”转为“可自发释放能量”，同时抑制了H2的产生。电子结构分析（PDOS）还表明，Sn与CO2中的氧形成了强效电子协同，显著提升了CO2的活化效率。
理论计算进一步描绘了详细的反应蓝图（图7）：CO2分子被Sn位点“抓住”并稳定吸附，经过几步高效的质子-电子传递步骤，最终转化为CO并成功释放。整个路径在Sn-O-Sn位点的调控下变得更为顺畅。
这项研究的突破在于转变了催化剂的设计思路：从“推倒重建”转向“精微改造”。如同中医施针，团队以MOF有序孔道为基底，通过ALI技术进行“分子针灸”，将Sn-O-Sn单元精准植入特定位置，从而在原子尺度构建出专用于捕获CO2的“智能位点”。这一“微创功能化”策略在保持材料骨架完整的同时，赋予其精准识别与转化CO2的“催化智能”。它不仅显著提升了反应选择性，更揭示了一个深层设计逻辑：高效催化未必源于结构重塑，而往往来自对原有体系的精准赋能与协同增强。
该工作不仅为解决CO2定向转化难题提供了高性能催化剂，更展现了一种“在秩序中嵌入功能、于稳态中创造活性”的材料设计哲学。它为未来碳中和关键材料的开发提供了一条理性、精准且可扩展的新路径——让催化剂拥有“分子识别”的智慧，也让CO2资源化利用朝着高效、专一方向迈出坚实的一步。
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