东南大学王金兰团队在催化剂动态演化机制领域取得新进展

（通讯员 凌崇益）近日，东南大学物理学院凌崇益教授、王金兰教授与李强副教授团队在催化剂动态演化机制方面取得进展。相关成果以“Revisiting Catalyst Restructuring in CO2 Reduction: The Dominant Yet Overlooked Role of Hydrogen”（重新审视CO2RR中的催化剂重构: 氢的主导但被忽视的作用）为题，发表于国际顶级化学期刊《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）。

铜（Cu）是目前已知唯一能够高效将二氧化碳转化为高附加值多碳产物的单金属催化剂，其优异性能与反应条件下发生的动态表面重构密切相关。然而，驱动这一结构演化的根本原因长期存在争议。主流观点认为，表面重构主要由反应中间体（尤其是CO）的吸附引起，但这一解释与实验结果并不完全一致：在实验观测到明显重构的电位区间内，CO表面覆盖率通常不足5%，且其吸附作用较弱，难以克服铜溶解所需的高能垒。

针对这一问题，研究团队通过系统理论模拟，将研究重点转向了水相电化学环境中普遍存在、但由于与*CO光谱信号重叠而长期被忽视的关键物种——吸附氢（*H）。团队结合基于显式溶剂模型的第一性原理计算（DFT）与从头算分子动力学（AIMD）模拟，首次提出统一的“H激活重构机制”。该机制明确了吸附氢才是驱动催化剂动态重构的主导因素，从而为理解相关过程提供了新的理论框架。

研究发现，吸附氢能够通过电子注入增强反键轨道相互作用，并诱导明显的晶格膨胀，使金属表面进入一种“预激活”的松动状态，从而显著降低原子浸出的动力学能垒。随着电位变化，催化剂重构过程呈现出清晰的阶段性特征：在低过电位下，表面吸附氢（*Hsurf）首先引发局域晶格畸变；随着CO2还原反应中间体（*R）覆盖度提高，*H的“预松动”效应与中间体的“牵引”作用协同增强，促使大量金属原子浸出并重新聚集，形成高活性的低配位团簇；在更高负电位下，氢进一步渗透至亚表面（*Hsub），其产生的内部压力与表面中间体的外部拉力共同构成“推—拉”效应，进而驱动更深层次的结构转变。持续发生的“溶解—再沉积”循环不断生成新的缺陷位点，而这些位点被证实能够显著降低C–C耦合能垒（如CO耦合势垒可降至0.43 eV），是真正的高活性反应中心。

在此基础上，研究团队进一步将该机制推广至Au、Ag、Pt、Ni、Ir等多种金属体系，并建立了一个通用热力学描述符——平均吸附原子形成能¯ΔEform，可用于预测复杂电化学环境下金属催化剂的稳定性趋势，预测结果与实验现象高度一致。研究还发现，通过引入Ir等具有较高氢渗透能垒的金属进行表面合金化，可有效抑制氢向亚表面的进一步渗透，从而显著提升催化剂的长期结构稳定性。该研究为设计兼具高活性与高稳定性的电催化材料提供了新的理论依据与设计思路。

本论文的第一作者是东南大学博士生张好娜，东南大学物理学院凌崇益教授、王金兰教授、李强副教授为通讯作者。该工作受到国自然优青、青年基金等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.6c05573

供稿：物理学院

（责任编辑：吴涵玉 审核：李小男）