二氧化碳（CO2）的过量排放造成了温室效应和环境危机，因此碳减排和负碳技术尤为重要，其中将CO2转化为碳材料或碳基化学品再利用的负碳技术备受关注。然而，强双共价键使得CO2转化通常需要苛刻的条件、复杂的过程和高能耗。镓基液态金属（LMs）是一种兼具金属和液体特性的功能材料，具有独特的液相结构和多样的表面特性。
2024年11月10日，云南师范大学杨培志、段良飞团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Spontaneous Phase Transition and Multistage Interfacial Mechanical Friction of Liquid Metals Induced CO2 Reduction at Room Temperature”的研究论文，团队成员Hanhai Luo、Liyuan Zhang为论文共同第一作者，杨培志、段良飞为论文共同通讯作者。
该研究提出了一种利用液态金属的自发相变和机械摩擦将CO2还原为碳材料的策略。将镓（Ga）和铟（In）颗粒混合并暴露在CO2中，金属颗粒的接触界面自发转化为液态金属。该系统具有多级界面，包括Ga/In、Ga/eGaIn和In/eGaIn，能够在机械刺激下产生摩擦电，从而导致电荷转移。在室温下，接触界面摩擦产生的高电场直接将CO2还原为碳材料。碳材料覆盖在eGaIn表面，可以直接剥离用作燃料或工业应用。
DOI：10.1002/adfm.202413156
该研究提出通过液态金属的自发液相转变和多级界面机械摩擦来还原CO2。固-固、固-液两相摩擦电的产生导致CO2还原为碳材料，而氧原子被Ga原子捕获形成Ga2O3。碳材料不仅可以作为储能系统的电极材料，还可以转化为燃料或其他化学品，实现二氧化碳的资源高效利用。此外，机械能在自然界中很容易产生，但捕获和应用存在重大挑战。将对机械能敏感的低熔点液态金属纳入该系统可以减少能源消耗和成本。此外，机械能可以被风能、波浪能、振动等传统绿色能源所取代。这为二氧化碳减排提供了一个可持续的、可扩展的且经济可行的解决方案。
总之，研究人员提出了一种在机械能刺激下诱导CO2RR的策略，只需输入机械能即可稳定运行。镓基液态金属的利用使CO2在室温下转化，机械能可以被传统的绿色能源所取代。研究表明，利用液态金属的自发相变和多级摩擦起电驱动CO2RR是可行的。不同形态液态金属之间的摩擦起电产生50.0 V的电压和19.0μA的电流，成功驱动了CO2RR。此外，eGaIn优异的表面活性为CO2RR提供了良好的平台。产品表征完成后，确定主要产品为固体碳质材料，可直接用作燃料或用于废水和废气处理等，实现可持续的CO2减排过程。该CO2RR工艺能耗低，可扩展性强，对碳循环利用领域的实际应用具有重要意义。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
