清華新聞網(wǎng)12月15日電 清華大學(xué)能動(dòng)系禚玉群教授聯(lián)合意大利科技研究院（IIT）等國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)，在電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)（CO?R）界面機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展。研究工作系統(tǒng)揭示了電化學(xué)電勢(shì)驅(qū)動(dòng)的界面水溶劑動(dòng)態(tài)特性對(duì)CO2電還原反應(yīng)路徑和動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵調(diào)控作用，為在真實(shí)工作條件下理解和優(yōu)化CO?R過(guò)程提供了新的理論框架。
在實(shí)際反應(yīng)條件下，從分子層面理解催化劑-電解質(zhì)界面仍然是電催化領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)之一。電化學(xué)勢(shì)在調(diào)控界面溶劑化及其對(duì)CO2電還原的影響方面的作用尚未得到充分闡明。
研究團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)加速的分子動(dòng)力學(xué)模擬、基于巨正則密度泛函理論(DFT)框架的顯式溶劑模型以及增強(qiáng)采樣技術(shù)，系統(tǒng)探究了反應(yīng)電勢(shì)對(duì)Ag（111）/H2O界面處CO2還原過(guò)程的影響。結(jié)果表明，施加的電勢(shì)顯著改變了界面水的取向并調(diào)節(jié)了氫鍵網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度。這種溶劑對(duì)電勢(shì)的響應(yīng)在穩(wěn)定反應(yīng)中間體、調(diào)控反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及促進(jìn)質(zhì)子轉(zhuǎn)移和氫氧根擴(kuò)散等關(guān)鍵步驟方面發(fā)揮著重要作用。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了溶劑動(dòng)力學(xué)在CO2還原中的關(guān)鍵作用，凸顯了在實(shí)際反應(yīng)條件下模擬電化學(xué)反應(yīng)的重要性。溶劑不再是被動(dòng)的背景介質(zhì)，而是動(dòng)態(tài)的、對(duì)電勢(shì)敏感的參與者，在催化過(guò)程中發(fā)揮積極作用。
工作電勢(shì)（USHE = -1.5 V）條件下CO2電還原為CO過(guò)程及基元反應(yīng)能壘示意圖
研究從分子尺度上深化了對(duì)電極–電解質(zhì)界面協(xié)同作用機(jī)制的理解，為在真實(shí)工況下開(kāi)展電化學(xué)反應(yīng)理論模擬提供了重要方法學(xué)參考，也為通過(guò)調(diào)控界面溶劑環(huán)境來(lái)提升CO?電還原效率提供了新的思路。
研究成果以“電化學(xué)電位驅(qū)動(dòng)的水動(dòng)力學(xué)控制了Ag/H?O界面上的co2電還原”（Electrochemical potential-driven water dynamics control CO2 electroreduction at the Ag/H?O interface）為題，于11月27日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)能動(dòng)系2020級(jí)博士生田雄偉為論文第一作者，清華大學(xué)能動(dòng)系教授禚玉群、化學(xué)系副教授肖海和意大利技術(shù)研究院教授米凱萊·帕里內(nèi)洛（Michele Parrinello）為論文通訊作者。論文共同作者還包括意大利技術(shù)研究院阿克塞爾·托塞洛·加爾迪尼（Axel Tosello Gardini）博士和翁貝托·勞奇（Umberto Raucci）博士。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-65630-1
供稿：能動(dòng)系
編輯：李華山
審核：郭玲
