直接還原CO2制備甲酸是未來化學(xué)工業(yè)的重要基礎(chǔ)，具有重要意義。由于高活性、高選擇性電催化劑的嚴(yán)重缺乏，導(dǎo)致CO2直接還原技術(shù)的發(fā)展受到限制。
基于此，中國科學(xué)院化學(xué)研究所李玉良院士等人以石墨炔（GDY）負(fù)載的金屬氧化物量子點(diǎn)（QDs）為理想模型，結(jié)合DFT計(jì)算和高通量篩選，確定了具有高CO2RR活性和選擇性的目標(biāo)催化劑。理論上預(yù)測(cè)GDY負(fù)載的氧化銦量子點(diǎn)（InOx/GDY）是一種具有最佳CO2RR性能的新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)電催化劑。通過DFT計(jì)算，作者研究了MOx/GDY對(duì)CO2RR的活性。MOx/GDY催化劑對(duì)CO2RR→HCOOH反應(yīng)的活性由速率決定步驟的吉布斯自由能變化表示（ΔGmax），其中ΔGmax越低，表明CO2RR→HCOOH的途徑在能量上更有利。適度的HCOO*吸附能力是實(shí)現(xiàn)CO2RR→HCOOH高效過程的首選條件。當(dāng)Eads-HCOO*值約為-3.19 eV時(shí)，MOx/GDY催化劑的催化活性最高，ΔGmax值最小。結(jié)果表明，Eads-HCOO*是預(yù)測(cè)MOx/GDY產(chǎn)生HCOOH的CO2RR活性的良好描述符。此外，作者比較了不同MOx/GDY催化劑上CO2RR→HCOOH（ΔGmax(CO2RR→HCOOH)）和CO2RR→CO（ΔGmax(CO2RR→CO)）的速率決定步驟中的吉布斯自由能。在上部區(qū)域，CO2RR→HCOOH通路更有利，而在下部區(qū)域，CO2RR→CO途徑更有利。結(jié)果表明，大多數(shù)MOx/GDY催化劑表現(xiàn)出較高的CO2RR選擇性，優(yōu)選產(chǎn)生HCOOH而不是副產(chǎn)物CO。作者還發(fā)現(xiàn)MOx/GDY催化劑的選擇性也與Eads-HCOO*密切相關(guān)。在-3.95 eV至-2.20 eV范圍內(nèi)，由于ΔGmax(CO2RR→HCOOH)和ΔGmax(CO2RR→CO)之間的差值幾乎為負(fù)，HCOOH的形成比CO的形成更有利。Theoretical Prediction Leads to Synthesize GDY Supported InOx Quantum Dots for CO2 Reduction. Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202318080.
