電催化二氧化碳還原（CO2ER）是實現(xiàn)碳循環(huán)和可再生能源利用的一種有效途徑。銅是目前最有前景的一類可以將CO2還原為高附加值燃料和化工原料（乙烯、乙醇、正丙醇等）的催化劑。在銅基催化劑中，銅鋅（CuZn）催化劑在兼顧廉價易得和環(huán)境友好優(yōu)點的同時，且能對乙烯、乙醇等產(chǎn)物有顯著的選擇性，因而成為一種極具潛力的CO2ER催化劑，且具有大規(guī)模工業(yè)化的前景。
然而，在銅鋅（CuZn）催化劑上，CO2電還原（CO2ER）為多碳（C2+）產(chǎn)物的真正活性中心一直沒有明確的結論，這阻礙了高性能催化劑的理性設計和進一步大規(guī)模工業(yè)化應用。
近日，天津大學新能源化工團隊通過結合基于神經(jīng)網(wǎng)絡（NN）勢函數(shù)的全局優(yōu)化和兩輪高通量活性位點篩選，從計算上獲得了銅鋅（CuZn）催化劑納米顆粒模型，準確識別了銅鋅（CuZn）納米顆粒催化劑C2+產(chǎn)物活性位點的原子級結構（平衡Cu-Zn位點和鋅重Cu-Zn位點），后續(xù)的實驗結果也驗證了多尺度活性位點識別的結論。
研究者結合基于神經(jīng)網(wǎng)絡（NN）勢能面的全局優(yōu)化（NN-SSW）和分子動力學（NN-MD）方法，獲得了不同Zn摻雜濃度下CuZn顆粒模型的表面結構。通過對于催化劑表面超過2000個可能CO吸附位點的高通量測試，發(fā)現(xiàn)適中摻雜Zn的CuZn顆粒模型催化劑具有最多的CO最優(yōu)吸附能位點，有利于進一步發(fā)生深度還原反應。由于通常認為C-C耦合過程是CO2電還原（CO2ER）為C2+產(chǎn)物的速率決定步驟。在第一步得到的適中摻雜Zn的CuZn模型表面上隨機選取100個表面活性位點來探索這個C-C耦合基元反應，發(fā)現(xiàn)被化學計量數(shù)平衡的Cu和Zn原子包圍的CuZn位點（平衡Cu-Zn位點）和主要由Zn原子包圍的的CuZn位點（鋅重Cu-Zn位點）這兩類活性位點可以有效促進C-C耦合提升C2+產(chǎn)物的選擇性。實驗合成的CuZn顆粒催化劑的性能測試定量驗證了這一計算結論，實現(xiàn)了大數(shù)據(jù)驅(qū)動活性位點識別和理性設計催化劑的目標。 本項研究通過理論和實驗相結合的方法揭示了CuZn催化劑上CO2ER在原子水平上的C2+產(chǎn)物活性位點即平衡的銅鋅協(xié)同位點和鋅包覆的銅鋅協(xié)同位點。這些新的見解解決了關于之前CuZn催化劑上活性中心的爭論問題，為未來基于高通量篩選開發(fā)高選擇性銅基催化劑提供了理論指導和研究思路。 論文信息 Nature of the Active Sites of Copper Zinc Catalysts for Carbon Dioxide Electroreduction Shiyu Zhen, Gong Zhang, Dongfang Cheng, Hui Gao, Lulu Li, Xiaoyun Lin, Zheyuan Ding, Prof.?Dr. Zhi-Jian Zhao, Prof.?Dr. Jinlong Gong 天津大學研究生甄世鈺為文章的第一作者，趙志堅教授和鞏金龍教授為共同通訊作者。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202201913
