电催化CO₂还原反应（CO₂RR）被视为实现高质量“碳循环”的关键路径。其中，将CO₂高效转化为含两个碳原子以上（C₂₊）的高附加值化学品（如C₂H₄、C₂H₅OH等）具有重要的经济价值，展现出巨大的可持续“碳循环”潜力。然而，现有Cu基催化剂仍面临两大难题：高电流密度下传质受限导致活性下降；催化层电解液“水淹效应”导致活性位点稳定性骤降。如何突破活性与传质之间的平衡关系成为该领域的主要研究瓶颈。

基于此，中国科学院上海高等研究院杨辉研究员团队等合成了一种分级多孔Cu超粒子（Cu supraparticles，SP-Cu₂O）结构，同时解决了产率低、传质慢以及稳定性差三大难题。团队通过可控CuH演化，制备了由8.5 nm Cu纳米颗粒自组装形成的SP-Cu₂O超粒子。该结构表面丰富晶界高效提升了C₂₊选择性，同时独特的介孔-大孔贯通网络不仅加速传质，其本征疏水特性有效防止了催化层被电解液渗透。重要地，该催化体系在3.2 A cm^-2工业级电流密度下展现出优异性能，C₂₊法拉第效率高达74.9%，远优于传统Cu纳米颗粒（1.21 A cm^-2，55.4%）。同时可以在1.0 A cm^-2下稳定运行超100小时，能量转换效率达30.0%，克服了高电流密度下性能快速失活瓶颈。先进原位表征与DFT理论计算表明，结构中丰富晶界位点促进了CO₂活化、CO吸附和CO*-CHO*耦合，高效提升了C₂₊产物选择性。该研究不仅为高性能CO₂电还原催化剂设计提供了新方向，也为可再生能源存储与化工原料绿色合成提供新思路。研究成果以“Cu supraparticles with enhanced mass transfer and abundant C-C coupling sites achieving ampere-level CO₂-to-C₂₊ electrosynthesis”发表在国际著名期刊Nature Communications上。

上述研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58755-w