山西煤化所在金屬間電子化物表面自發(fā)水解離促進CO?甲烷化研究中取得重要進展
近日，中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所溫曉東團隊在理論-實驗-數(shù)據(jù)一體化研究思路指導(dǎo)下，針對金屬間電子化合物（IE）催化CO?甲烷化研究取得重要進展，研究成果以“Spontaneous water dissociation on intermetallic electride LaCu0.67Si1.33?enhances electrochemical methanization of CO2”為題發(fā)表在《Nature Communications》期刊上。
利用可再生電力驅(qū)動的二氧化碳（CO2）電還原轉(zhuǎn)化為甲烷是一種可持續(xù)的減少對天然氣依賴的方法。然而，這一過程目前受限于效率和耐久性不足，這主要源于現(xiàn)有催化劑上水解離（WD）和質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移之間的動力學(xué)差異。為了提高CO2電還原為甲烷的效率，研究者們致力于設(shè)計更高效的催化劑，特別是銅（Cu）基催化劑。盡管如此，如何通過催化劑設(shè)計來同步實現(xiàn)高效的水解離和CO2活化仍然是一個挑戰(zhàn)。
團隊基于自研的機器學(xué)習(xí)加速結(jié)構(gòu)預(yù)測方法（J. Phys. Chem. C, 2020,124,17244?17254），結(jié)合基于密度泛函理論（DFT）的高通量計算，揭示了金屬間電子化合物材料關(guān)鍵活性位的富電子結(jié)構(gòu)，并進一步預(yù)測其具有優(yōu)異的自發(fā)水解離能力。結(jié)合LaCu0.67Si1.33材料制備并設(shè)計表征實驗，利用H2O-程序升溫表面反應(yīng)（H2O-TPSR）證實了在該金屬間電子化合物表面發(fā)生了顯著的自發(fā)水解離現(xiàn)象。在堿性流通池中，IE LaCu0.67Si1.33催化劑在相對于可逆氫電極（vs. RHE）?1.21 V的還原電位下表現(xiàn)出72%的甲烷法拉第效率（FE），并在?1.52 V vs. RHE下達到476.7 mA cm?2的甲烷偏電流密度。密度泛函理論計算進一步表明，在IE LaCu0.67Si1.33催化劑上，甲烷化反應(yīng)路徑在熱力學(xué)/動力學(xué)上更為有利。
通過數(shù)據(jù)挖掘，結(jié)構(gòu)表征及理論預(yù)測，團隊揭示了IE LaCu0.67Si1.33催化劑獨特的活性位富電子結(jié)構(gòu)和自發(fā)水解離能力，為CO2的電化學(xué)甲烷化以及其他可能涉及水解離過程的可再生能源轉(zhuǎn)化，提供了一個極具前景的催化劑體系。以上工作得到國家科技部重點研發(fā)計劃（批準(zhǔn)號：2022YFA1604100），國家自然科學(xué)基金杰出青年基金(批準(zhǔn)號22225206)，中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點研究項目(ZDBS - LY - 7007)等項目的支持。
本成果由中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所溫曉東團隊和北京大學(xué)駱明川團隊合作完成。
DFT計算(a) *CO反應(yīng)系列中間物種在IE LaCu0.67Si1.33和Cu表面加氫和碳碳耦合反應(yīng)的吉布斯自由能；（b）*CHO反應(yīng)中間物種在IE LaCu0.67Si1.33和Cu表面的電荷密度差圖；（c）CO2-CH4轉(zhuǎn)變不同反應(yīng)路徑中間過程的吉布斯自由能。
（煤炭高效低碳利用全國重點實驗室）
附件下載：
