近日，新葡的京集团35222vip王金兰教授和凌崇益教授团队在催化材料构效关系方面取得新进展，提出了一个具有明确物理内涵的描述符Nμ(U)，能够基于简单参量解耦并量化本征电子结构与外加电位对单原子催化剂CO2还原反应宏观性能的贡献。该工作突破了传统描述符仅关注静态结构特征、难以反映工作条件影响的局限，为表观催化活性和选择性的定量预测提供了新思路。相关成果以“A Physically Grounded Descriptor Decoupling Intrinsic and External Contributions to CO2 Electroreduction over Single-Atom Catalysts”（一种用于解耦单原子催化剂CO2电还原本征与外部贡献的物理机制描述符）为题，发表于国际顶级期刊《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）。
材料的催化性能，是催化剂本征性质与反应环境相互作用共同产生的结果。尽管基于本征性质构建的原子结构–性能关系，已经在描述催化性能变化趋势方面取得了诸多进展，但这类关系从根本上受限于自身的静态属性。以电化学反应为例，电极电位作为主要驱动力，始终调控着电极界面的物相种类与电荷分布状态。因此，仅基于本征性质的描述符无法描述反应的热力学和动力学随反应条件的变化。如何通过电化学电位动态地重塑这些内在特性，以及如何在统一的理论框架内定量地解耦这两种不同的贡献，仍然是一个长期存在的挑战。
针对这一问题，团队聚焦单原子催化剂，通过第一性原理计算和物理化学分析，提出了一个基于物理原理描述符（Nμ(U)），实现了催化剂本征电子结构与外加电极电位诱导电荷重排对CO2还原反应热力学与动力学贡献的解耦与定量表征。结合微观动力学模拟，该描述符能够有效预测单原子催化剂在CO2还原反应中的活性与选择性，其预测趋势与实验结果高度一致。进一步地，该描述符清晰划分了CO2还原主导区、强竞争区以及析氢反应主导区，揭示了反应过程中活性位点由低电位下的MN4–OH向高电位下MN4的动态演化规律，并指出在更强还原电位下，虽然催化活性提升，但选择性窗口收窄、位点稳定性下降，从而体现出活性–选择性–稳定性之间的内在权衡关系。该描述符基于少量物理参量，建立了本征电子结构、电位响应与反应热力学及动力学之间的定量关联，实现了对电催化选择性调控规律的可解析描述与可预测表达。
本论文的第一作者是新葡的京集团35222vip博士生孟玉晓，新葡的京集团35222vip王金兰教授及凌崇益教授为共同通讯作者。该工作受到国家重点研发计划、国自然重点、国自然面上、优青等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c09762
供稿：凌崇益、孟玉晓
审核：苗霖