天津大学巩金龙和赵志坚教授研究团队揭示了铝掺杂铜催化剂可以显著提高CO2电化学还原生成乙烯的选择性。该研究利用氧亲和性作为预测催化性能的关键描述符，并通过火山图展示了铝掺杂优化C-C偶联和C-O键断裂。这一成果将为高效催化剂的筛选提供新的思路，减少了传统的试错过程。
催化剂设计一直面临挑战，尤其是在提高选择性和降低副产物生成方面。天津大学巩金龙教授团队通过实验与计算相结合的方法，发现铝掺杂铜催化剂在CO2电还原反应（CO2RR）中具有独特的活性表现。研究表明，铝的氧亲和性能够促进关键中间体的C-C偶联，并改变耦合模式，从而促进了C2产物的整体活性。同时，强亲氧性还能加速C-O键的断裂，从而调控反应选择性。
研究者首先通过构建火山图详细展示了不同金属掺杂对催化选择性的影响，铝掺杂铜催化剂位于火山图的峰顶，表明其在氧亲和性与CO2RR催化选择性之间达到了最佳平衡。这种基于氧亲和性为核心描述符的方法，有效避免了传统的催化剂开发中的试错过程，为快速筛选高效CO2还原催化剂提供了全新策略。实验结果也验证了这一理论预测，铝掺杂的铜催化剂在电化学测试中展现出超过80%的乙烯法拉第效率，显著高于未掺杂的纯铜以及银掺杂的催化剂。同时，利用巨正则密度泛函理论，研究者发现较强的亲氧性可以有效地促进CO2的活化，生成CO，这是后续C2+产物形成的基础。其次，铝掺杂改变了关键中间体*OCCO的吸附方式。在未掺杂的铜催化剂上，*OCCO倾向于通过Langmuir-Hinshelwood机理形成舟型结构。而铝的引入稳定了*OCCO的椅型结构，该构型可以通过Eley-Rideal机理形成，其偶联的能垒显著降低，从而加速了多碳产物的生成（图1）。
论文作者为天津大学程东方，张恭，李璐璐，石向成，朱文锦，袁欣彤，南非自由大学Lyudmila Moskaleva，通讯作者为张鹏教授，赵志坚教授和巩金龙教授。详见：Dongfang Cheng, Gong Zhang, Lulu Li, Xiangcheng Shi, Wenjin Zhu, Xintong Yuan, Lyudmila Moskaleva, Peng Zhang, Zhi-Jian Zhao and Jinlong Gong. Why do CuAl Catalysts Outperform in CO2 Electro-reduction to C2H4? Sci. China Chem., 2024, DOI: 10.1007/s11426-024-2292-3.
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