單原子催化劑(SACs)因其獨特的活性/選擇性和最大的原子效率而被廣泛應(yīng)用于CO2還原反應(yīng)(CO2RRs）。為了制備出穩(wěn)定的SAC，在金屬氧化物表面引入氧空位(VO)是一種常見的策略。然而，目前尚缺乏在實際反應(yīng)條件下單原子(SAs)能否穩(wěn)定錨定在VO上的研究，這阻礙了SAC的合理設(shè)計及發(fā)展應(yīng)用。
基于此，中科院上海應(yīng)物所高嶷和朱倍恩等提出了基于密度泛函理論(DFT)的錨定能量計算和人工智能方法來研究VO錨定的SACs(8個金屬氧化物表面上的29個過渡金屬單原子(TMSAs))在CO2RR五種中間體(*COOH、*OCHO、*CO、*CHO 和*H)吸附作用下的穩(wěn)定性。
研究人員通過錨定能量來評估TMSA在真空中(ΔEanch)和在反應(yīng)條件下(ΔEanch R)錨定在VO上的強度，錨定能的一般定義原則上也適用于其他體系(如摻雜表面上的TMSA)?；谶@種方法，在CO2RRs中篩選了一系列穩(wěn)定的VO錨定3d、4d和5d SACs，發(fā)現(xiàn)非還原性氧化物(MgO(100)、ZrO2(111))上的VO位點更適合于穩(wěn)定TMSA；另一方面，后過渡金屬在反應(yīng)條件下表現(xiàn)出比其他過渡金屬更好的穩(wěn)定性。
通過SGD分析，研究人員闡明了單原子的電負(fù)性和價電子、金屬氧化物的d帶中心以及吸附原子上吸附物質(zhì)的配位數(shù)控制著SACs的穩(wěn)定性。在考慮實際反應(yīng)條件的情況下采用活性和選擇性分析，結(jié)果表明，VO-ZrO2(111)表面上的Os具有在不同條件下將CO2高效電催化轉(zhuǎn)化為CO的潛力；Ru/VO-ZrO2(111)對RWGS反應(yīng)顯示出優(yōu)異的熱催化性能?？傮w而言，這項工作提供了一種有效的策略來評估反應(yīng)條件下穩(wěn)定的有缺陷的金屬氧化物負(fù)載的SAC，這可以為實驗人員設(shè)計具有改進(jìn)催化性能的SAC提供指導(dǎo)。High-Throughput Screening of Stable Single-Atom Catalysts in CO2 Reduction Reactions. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c02149
