东南大学王金兰、凌崇益团队揭示单原子催化剂“全局结构”调控CO2还原选择性新机制
文章导读
相同的活性位点，为何产生截然相反的选择性？东南大学团队最新研究颠覆传统认知：在CO2还原反应中，单原子催化剂的性能不只由局部结构决定！通过恒电位模拟与分子动力学分析，团队首次揭示全局结构通过调控零电荷电位、界面电荷分布与水分子取向，最终主导催化选择性的全新机制。这一发现破解了长期困扰催化领域的"结构-性能"迷思，并为通过载体工程（如引入碳空位）精准调控反应路径提供了革命性思路。
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（通讯员 凌崇益）近日，东南大学物理学院王金兰、凌崇益教授团队在单原子催化剂（Single-Atom Catalysts, SACs）构-效关系研究中取得进展。相关成果以“Beyond Local Coordination: How Global Structure Engineers the Selectivity of Single Atom Catalysts for CO2 Reduction”（不止于局部配位：全局结构如何影响单原子催化剂的CO2还原选择性）为题，发表于国际顶级化学期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
“结构决定性质”是材料设计与优化的基本原则。基于这一原则，催化剂的局域结构，尤其是活性中心的几何与电子特征，被视为决定催化性能的关键。然而，在复杂催化体系中，局域结构主导的结构–性能关系常常失效：即使活性位点相似，性能仍可能迥异。以CO2还原反应为例，实验发现，具有相同CoN4活性中心的两类单原子催化剂，氮掺杂碳载体（CoNC）与酞菁载体（CoPc）负载Co单原子催化剂，在产物选择性上截然不同。其中，CoPc 更倾向生成 CO，而 CoNC 则主要生产H2。这一现象揭示了局域结构描述的不足，因而亟需引入包含全局结构效应的新理论框架，以全面理解催化性能的调控机理。
针对这一问题，团队结合恒电位密度泛函理论与从头算分子动力学模拟，系统探索了CoNC与CoPc的电子结构与界面行为。结果表明，尽管两者局域活性中心的几何和电子结构十分接近，其全局结构差异却显著影响催化剂的零电荷电位（PZC）及界面电荷分布，进而调控电子承载能力与界面水分子取向。这一差异最终导致了完全相反的CO2还原反应选择性。进一步研究还发现，“全局结构效应”的强弱取决于局域活性位对整体结构变化的敏感性。本研究揭示了“局部结构决定性能”范式的局限性，并提出了通过调控载体全局结构（如引入碳空位）优化催化选择性的新策略，为单原子催化剂的理性设计提供了新的思路。
本论文的第一作者是东南大学博士崔煜，东南大学物理学院王金兰教授及凌崇益教授为通讯作者。该工作受到国家重点研发计划、国自然重点、优青等项目的资助。
论文链接为：https://doi.org/10.1002/anie.202519826
供稿：物理学院
（责任编辑：孙艳 审核：李震）
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这个研究真厉害，全局结构的影响确实被低估了！