清華新聞網(wǎng)6月13日電 近日，清華大學(xué)化學(xué)系肖海副教授課題組在電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)（eCO2RR）的基礎(chǔ)研究中取得新進(jìn)展，通過(guò)第一性原理計(jì)算模擬，發(fā)現(xiàn)在銅（Cu）金屬表面上CO2活化的電子轉(zhuǎn)移（ET）基元步驟的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)隨電勢(shì)的變化存在類(lèi)似Marcus理論所預(yù)測(cè)的“反轉(zhuǎn)區(qū)”，即隨著電勢(shì)降低，ET的熱力學(xué)獲得了電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，但是動(dòng)力學(xué)卻反而變?cè)?。進(jìn)一步的研究表明該“反轉(zhuǎn)區(qū)”起源于泡利排斥（Pauli repulsion）效應(yīng)的電勢(shì)依賴(lài)性，這一理解為eCO2RR催化劑的理性設(shè)計(jì)提供了新的方向。
該團(tuán)隊(duì)采用巨正則密度泛函理論（GC-DFT）方法與隱式電解質(zhì)模型相結(jié)合，首先發(fā)現(xiàn)在Cu表面上CO2活化的機(jī)理均具有電勢(shì)依賴(lài)性：在常規(guī)工作電勢(shì)下，CO2活化會(huì)以順序電子-質(zhì)子轉(zhuǎn)移（SEPT）機(jī)理為主導(dǎo)，但在極負(fù)電勢(shì)下會(huì)切換到耦合質(zhì)子-電子轉(zhuǎn)移（CPET）機(jī)理。而在SEPT機(jī)理中，CO2活化的ET步驟反應(yīng)能壘存在“反轉(zhuǎn)區(qū)”：當(dāng)電勢(shì)降低時(shí)， ET步驟的反應(yīng)熱力學(xué)雖然獲得了電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力，但其反應(yīng)能壘卻會(huì)快速升高，這導(dǎo)致CO2活化在極負(fù)電勢(shì)下不得不切換到CPET機(jī)理。
圖1.電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)中的“反轉(zhuǎn)區(qū)”及其起源
研究進(jìn)一步表明，這一“反轉(zhuǎn)區(qū)”源于泡利排斥效應(yīng)的電勢(shì)依賴(lài)性（如圖1所示）：CO2的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）與金屬中費(fèi)米面以下的占據(jù)態(tài)之間相互作用產(chǎn)生了泡利排斥，它主導(dǎo)了CO2物理吸附勢(shì)能曲線(xiàn)的排斥區(qū)域；隨著電勢(shì)降低，泡利排斥迅速增大，這導(dǎo)致CO2物理吸附勢(shì)能曲線(xiàn)快速抬升，因此使得物理吸附勢(shì)能曲線(xiàn)和化學(xué)吸附勢(shì)能曲線(xiàn)的交叉點(diǎn)，即過(guò)渡態(tài)能壘，會(huì)隨著電勢(shì)的降低而迅速升高，進(jìn)而產(chǎn)生了“反轉(zhuǎn)區(qū)”。
圖2.電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)催化劑的理性設(shè)計(jì)
基于以上理解，該團(tuán)隊(duì)指出了一系列優(yōu)化eCO2RR電催化劑的設(shè)計(jì)方案，可以抑制泡利排斥對(duì)CO2活化動(dòng)力學(xué)的不利影響（如圖2所示），包括增加催化劑表面結(jié)構(gòu)的粗糙度、引入配位結(jié)構(gòu)相對(duì)靈活的活性位點(diǎn)、以及選擇充電能力較弱的載體所構(gòu)建的單原子催化劑。這為eCO2RR催化劑的理性設(shè)計(jì)指出一個(gè)新的方向和思路。
研究成果以“電勢(shì)依賴(lài)的泡利排斥誘導(dǎo)產(chǎn)生電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)中的反轉(zhuǎn)區(qū)”（Inverted Region in Electrochemical Reduction of CO2 Induced by Potential-dependent Pauli Repulsion）為題發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（J. Am. Chem. Soc.）期刊。
文章第一作者為清華大學(xué)化學(xué)系2019級(jí)直博生劉樂(lè)雨，通訊作者為肖海副教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)“篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及清華大學(xué)自主科研計(jì)劃的資助；清華大學(xué)高性能計(jì)算中心和清華學(xué)堂人才培養(yǎng)計(jì)劃提供了計(jì)算資源的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/jacs.3c02447
供稿：化學(xué)系
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
