近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)催化研究組研究員肖建平團(tuán)隊(duì)與電子科技大學(xué)教授夏川團(tuán)隊(duì)合作在二氧化碳（CO2）轉(zhuǎn)化制一氧化碳（CO）研究中取得新進(jìn)展，研發(fā)出三組分單原子合金催化劑Cu92Sb5Pd3，在-402mA/cm2下實(shí)現(xiàn)了100%（ 1.5%）的高CO選擇性，在中性電解質(zhì)中活性達(dá)到?1A/cm2，并揭示了該反應(yīng)的機(jī)理。

利用可再生能源實(shí)現(xiàn)CO2高效電還原，不僅有助于減少溫室氣體排放，同時(shí)也為生產(chǎn)多種化學(xué)中間體和燃料提供了一條可持續(xù)途徑。肖建平團(tuán)隊(duì)在前期工作中發(fā)現(xiàn)了CO2電催化還原制甲酸的活性趨勢(shì)（Nat. Commun.，2020；Adv. Mater.，2021）；揭示了CO2電催化還原的“雙通道”機(jī)理（Nat. Nanotechnol.，2021）；設(shè)計(jì)了電催化CO2到多碳產(chǎn)物高活性催化劑（Nat. Commun.，2023）；研究了電還原CO2制CO的機(jī)理（Nat. Commun.，2023）；提出銅基單原子配位調(diào)控電催化還原CO2到甲烷的設(shè)計(jì)新策略（Nat. Commun.，2023）。

本工作中，肖建平團(tuán)隊(duì)探究了單原子合金催化劑Cu92Sb5Pd3電催化CO2還原表現(xiàn)出高CO選擇性的原因。研究發(fā)現(xiàn)，Pd和Sb單原子的共摻雜作用，降低了Cu基催化劑的表面能，提高了Cu基催化劑穩(wěn)定性；改變了電荷分布，降低了d-band 中心，減弱了CO*的吸附，提升了CO的選擇性。通過(guò)電荷外插值法，肖建平團(tuán)隊(duì)計(jì)算了工作電勢(shì)下的CO2還原反應(yīng)的反應(yīng)能壘，并通過(guò)微觀動(dòng)力學(xué)模擬得到了CO*覆蓋度、CO法拉第效率，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的吻合。該研究為設(shè)計(jì)高活性和特定選擇性電催化材料提供了新思路。

相關(guān)研究成果以“Turning copper into an efficient and stable CO evolution catalyst beyond noble metals”為題，于近日發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、榆林創(chuàng)新院能源專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院B類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測(cè)量”、大連化物所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50436-4