一个研究团队查阅了过去十年的数千份报告，以寻找一种基于锡的催化剂，该催化剂支持甲酸的生产——这是一种在许多行业中使用的重要化学品，同时还使生产过程更环保。
由日益减少的化石燃料供应和大气中二氧化碳（CO2）水平上升所推动的全球气候危机，使得寻找可持续能源解决方案的任务比以往任何时候都更加紧迫。针对这一点，一个有前景的方法是电化学二氧化碳还原反应（CO2RR），特别是当它与可再生能源相结合时。这项技术不仅有助于减少CO2排放，还通过将CO2转化为有价值的碳中性燃料来解决能源存储的挑战。甲酸（HCOOH）是CO2RR的关键产品之一，由于其在 tanning、纺织和制药等行业中的灵活性而受到重视，同时它还作为氢存储的高能量密度介质。
“甲酸在各个领域都是一种至关重要的化学品，它作为氢载体的角色使其对可持续的能源未来至关重要，”东北大学先进材料研究所（WPI-AIMR）的助理教授薛佳表示。最近的经济评估确认，通过CO2RR生产甲酸在实际和经济上都是可行的，使其适合未来的工业应用。
为了提高CO2RR催化剂的效率，嘉及其团队对过去十年的2300多份实验报告进行了广泛分析。他们的研究突显了基于锡的催化剂（如Sn−N4−C单原子催化剂（SAC）和多原子Sn）在生产甲酸方面的卓越有效性和选择性。这些催化剂在甲酸法拉第效率（FE）方面始终优于其他催化剂，如金属-氮-碳（M−N−C）催化剂和各种金属。
研究的一个关键发现是pH对催化剂性能的影响。分析表明，甲酸的生产率和选择性随着pH值的提高而增加，特别是在SnO2和Bi0.1Sn等催化剂中。然而，传统的理论模型将与pH相关的能量调整视为固定，未能准确预测在可逆氢电极（RHE）尺度下的性能。
“通过考虑电场影响和pH依赖的自由能计算，我们成功评估了催化剂在实际条件下的选择性和性能，这标志着一个重大的突破，”WPI-AIMR的副教授李浩解释道。这种改进的建模方法提供了宝贵的反应机制见解，更好地理解了锡基催化剂的与pH相关的行为。
该研究还解决了一个长期存在的问题，即单原子与多原子锡催化剂之间的结构变化如何影响其有效性。团队发现，Sn−N4−C SAC表现出单齿吸附构型，而多原子锡采用双齿吸附模式。不同的吸附模式为中间体OCHO产生了相反的偶极矩，极大地影响了催化剂在CO2RR中的活性和选择性。
“这种对结构的依赖，加上基于pH的建模，使我们对锡基催化剂有了彻底的理解，并使我们的预测与实验结果保持一致，”东北大学跨学科科学前沿研究所（FRIS）的助理教授Linda Zhang说道。这项研究强调了在设计有效催化剂时，需要考虑结构和动力学成分，除了标准热力学模型之外。
这项研究的意义超越了单纯的CO2RR。利用先进的计算方法，如密度泛函理论（DFT）和机器学习力场（MLFF），团队展示了为特定反应环境定制催化剂的潜力。这种方法预计将提升众多电催化任务的高性能系统的创建。
“先进的建模和计算技术使我们能够设计适合特定反应设置的催化剂，这对开发更有效的CO2还原技术至关重要，”李说道。该研究中实验与理论方法的结合是通过创新催化剂开发解决气候问题的重要进展。
该研究的成果已发表在期刊Angewandte Chemie International Edition上，作者对东北大学支持项目在文章处理费用方面的支持表示感谢。
