(纯计算)武汉大学顾向奎团队ACS Catal.: 揭示CO2电还原中的电势效应:活性位点的电子结构调控

2026-08-30 09:12:22

2026年4月8日，ACS Catal.在线发表了武汉大学顾向奎研究员课题组的研究论文，题目为《Unveiling the Potential Effects in CO₂ Electroreduction: Electronic Structure Modulation of Active Sites》，论文的第一作者为Qi Wang。

电催化二氧化碳还原反应（CO₂RR）生成高附加值化学品是一条将工业排放的二氧化碳转化以缓解严重温室效应的有吸引力的途径。为此，人们投入了大量精力设计高效催化剂，以希望在该过程中实现高活性和高选择性。与此同时，除了催化剂的本征性质外，外部施加的电势也被广泛报道对CO₂RR的活性和选择性具有显著影响。然而，控制电势依赖反应性的根本因素尚不完全清楚。

在此研究中，作者以氮掺杂石墨烯负载的Fe、Co和Ni催化剂上的CO₂电还原为CO作为探针反应，研究了外加电势如何调控反应性。研究发现，反应性高度依赖于外加电势，在合适的电势下，吡咯型-NiN₄C表现出最高的CO选择性，而吡咯型-CoN₄C表现出最低的起始电势。对活性金属中心与反应中间体之间的电子结构和成键过程的详细分析表明，电势可以直接影响成键过程中的轨道杂化。随着还原电势负移，活性中心的费米能级升高，同时d_z2轨道的能量降低，该轨道是与反应中间体成键的主要因素。与此同时，前线轨道的电子占据数发生了显著的重排。这些发现强调了理解电势效应对于阐明电催化反应机制的关键重要性，为准确评估工作电化学条件下催化活性位点的行为提供了见解。