近日，国际知名学术期刊Angew. Chem. Int.Ed.以“In Operando Identification of In SituFormed Metalloid Zincδ+ Active Sites for Highly Efficient Electrocatalyzed Carbon Dioxide Reduction”为题，在线报道了我校材料科学与工程学院清洁能源材料与器件团队在电催化CO2还原制CO领域的最新研究成果，并以Hot Paper方式重点报道。
电化学CO2还原反应（CO2RR）可将可再生电力存储于碳基化学品和燃料中，是实现“碳闭环”以及助力“碳达峰、碳中和”目标的理想途径之一。在众多转化途径中，电还原CO2制CO因其具有高选择性、高能量转化效率和易于从液态水中分离产物的优点，是最具有应用前景和经济价值的转化路线之一。然而，高效、稳定的电还原CO2制CO催化剂仍依赖于贵金属基纳米材料（例如金和银），进而在低过电势条件下实现高选择性和高反应速率。
面向低成本、高储量电催化剂的开发，研究团队通过便捷、可规模化的溶胶-凝胶法制备出一种廉价的焦磷酸锌（Zn2P2O7）预催化剂，并将其应用于高效CO2RR制CO过程。该预催化剂基于流动反应池在-300 mA cm-2电流密度条件下法拉第效率为98.9%，在-870 mV电位下实现了-441 mA cm-2的高CO部分电流密度。此外，膜电极器件的全电池能量效率高达58.0%。时间依赖拉曼光谱和动态现场（Operando）X射线吸收精细结构谱证明了Zn2P2O7预催化剂在电解工况条件下可原位衍生出稳定的、具有非化学计量比的ZnOx活性结构。
研究团队利用基于遗传算法的全局优化方法，进一步从原子尺度深入探究了Zn2P2O7预催化剂在CO2RR工况环境下的真实活性位点。通过对Zn基催化剂的真实活性结构（具有非化学计量比的ZnOx）进行了预测与模拟，筛选出一类具有稳定局域结构的类金属hollowZnδ+活性位点。密度泛函理论（DFT）进一步证明类金属hollow Znδ+活性位点可以有效地促进CO2的活化以及后续的加氢过程，大幅降低了生成CO的反应能垒；同时表面增强原位红外光谱也从实验层面证实了该活性结构对关键中间体的稳定机制。
该工作主要由材料学院博士后张馨予、博士生李文婧在刘鹏飞特聘副研究员、袁海洋特聘副研究员、杨化桂教授等人的指导下完成。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202202298