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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點(diǎn)，為把我國(guó)建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國(guó)作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在致中國(guó)科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)、面向國(guó)家重大需求、面向人民生命健康，率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國(guó)家創(chuàng)新人才高地，率先建成國(guó)家高水平科技智庫(kù)，率先建設(shè)國(guó)際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國(guó)科學(xué)院辦院方針

首頁(yè) > 科研進(jìn)展

研究建立電催化環(huán)境下銅基催化劑結(jié)構(gòu)重構(gòu)模擬新方法

2025-04-21 上海高等研究院

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語(yǔ)音播報(bào)

金屬銅因具有將二氧化碳還原生成多碳產(chǎn)物的特性，引起學(xué)界的廣泛關(guān)注。但電催化二氧化碳還原反應(yīng)（eCO₂RR）的產(chǎn)物選擇性、銅基催化劑穩(wěn)定性及能源效率等問(wèn)題是制約其工業(yè)化應(yīng)用的核心瓶頸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銅基催化劑的表面形貌在電催化二氧化碳還原反應(yīng)條件下易發(fā)生變化，影響其催化機(jī)理和反應(yīng)活性。因此，深入解析催化劑在反應(yīng)條件下的微觀結(jié)構(gòu)和形貌變化特性，并研究其對(duì)反應(yīng)性能的影響，對(duì)催化劑理性設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要意義。

近日，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院副研究員唐慶麗團(tuán)隊(duì)基于反應(yīng)環(huán)境動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛模擬方法，結(jié)合電勢(shì)依賴的巨正則蒙特卡洛模擬和密度泛函理論方法，對(duì)電催化二氧化碳還原反應(yīng)的關(guān)鍵中間體誘導(dǎo)銅（100）表面原子級(jí)重構(gòu)機(jī)理和重構(gòu)表面反應(yīng)性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。

研究發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)銅（100）局部一氧化碳高覆蓋引起了表面原子跳出，并遷移、聚集形成小團(tuán)簇。在模擬的條件下，重構(gòu)表面在寬電位范圍內(nèi)展現(xiàn)出長(zhǎng)達(dá)小時(shí)級(jí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，不同還原產(chǎn)物具有位點(diǎn)選擇性。

該研究建立了電催化環(huán)境下銅基催化劑結(jié)構(gòu)重構(gòu)模擬新方法，實(shí)現(xiàn)了宏觀時(shí)間尺度（小時(shí)級(jí)）近萬(wàn)原子銅（100）表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)過(guò)程模擬，并揭示了銅（100）表面原子級(jí)重構(gòu)機(jī)制。上述成果有助于學(xué)界探討反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)演變對(duì)銅（100）表面催化eCO₂RR的影響，并為通過(guò)調(diào)控原位活性位點(diǎn)的形成來(lái)提升產(chǎn)物選擇性提供理論可能。

相關(guān)研究成果以Reaction-Driven Varieties of Active Sites on Cu(100) in Electrochemical CO₂?Reduction Reaction為題，發(fā)表在《ACS催化》（ACS Catalysis）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。

論文鏈接

該研究建立的巨正則蒙特卡洛和反應(yīng)環(huán)境動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛模擬方法迭代流程圖

金屬銅因具有將二氧化碳還原生成多碳產(chǎn)物的特性，引起學(xué)界的廣泛關(guān)注。但電催化二氧化碳還原反應(yīng)（eCO2RR）的產(chǎn)物選擇性、銅基催化劑穩(wěn)定性及能源效率等問(wèn)題是制約其工業(yè)化應(yīng)用的核心瓶頸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銅基催化劑的表面形貌在電催化二氧化碳還原反應(yīng)條件下易發(fā)生變化，影響其催化機(jī)理和反應(yīng)活性。因此，深入解析催化劑在反應(yīng)條件下的微觀結(jié)構(gòu)和形貌變化特性，并研究其對(duì)反應(yīng)性能的影響，對(duì)催化劑理性設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要意義。近日，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院副研究員唐慶麗團(tuán)隊(duì)基于反應(yīng)環(huán)境動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛模擬方法，結(jié)合電勢(shì)依賴的巨正則蒙特卡洛模擬和密度泛函理論方法，對(duì)電催化二氧化碳還原反應(yīng)的關(guān)鍵中間體誘導(dǎo)銅（100）表面原子級(jí)重構(gòu)機(jī)理和重構(gòu)表面反應(yīng)性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)銅（100）局部一氧化碳高覆蓋引起了表面原子跳出，并遷移、聚集形成小團(tuán)簇。在模擬的條件下，重構(gòu)表面在寬電位范圍內(nèi)展現(xiàn)出長(zhǎng)達(dá)小時(shí)級(jí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。同時(shí)，不同還原產(chǎn)物具有位點(diǎn)選擇性。該研究建立了電催化環(huán)境下銅基催化劑結(jié)構(gòu)重構(gòu)模擬新方法，實(shí)現(xiàn)了宏觀時(shí)間尺度（小時(shí)級(jí)）近萬(wàn)原子銅（100）表面結(jié)構(gòu)重構(gòu)過(guò)程模擬，并揭示了銅（100）表面原子級(jí)重構(gòu)機(jī)制。上述成果有助于學(xué)界探討反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)演變對(duì)銅（100）表面催化eCO2RR的影響，并為通過(guò)調(diào)控原位活性位點(diǎn)的形成來(lái)提升產(chǎn)物選擇性提供理論可能。相關(guān)研究成果以Reaction-Driven Varieties of Active Sites on Cu(100) in Electrochemical CO2?Reduction Reaction為題，發(fā)表在《ACS催化》（ACS Catalysis）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等的支持。論文鏈接該研究建立的巨正則蒙特卡洛和反應(yīng)環(huán)境動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛模擬方法迭代流程圖

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