近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將電催化活性金屬溶解于熔融態(tài)鎵(Ga)中，實(shí)現(xiàn)了非均相催化劑表面活性位點(diǎn)的均相化，將CO2還原制甲酸的選擇性提高到95%以上。研究成果發(fā)表于《自然·催化》。

非均相催化劑由于存在各種缺陷、臺(tái)階、轉(zhuǎn)角、晶面等，表面的活性組分處于不同的局域配位環(huán)境，導(dǎo)致出現(xiàn)多活性位點(diǎn)并存現(xiàn)象及由此造成產(chǎn)物選擇性下降。然而，均相催化劑由于活性中心單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明晰、在產(chǎn)物選擇性及用作反應(yīng)機(jī)理研究模型方面具有優(yōu)勢(shì)，因此，將非均相催化劑均相化有望成為催化性能提升和反應(yīng)機(jī)理研究的關(guān)鍵途徑。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)將近室溫熔融的金屬Ga作為具有CO2還原電催化活性的Sn和In的基底，實(shí)現(xiàn)了Sn和In非均相催化劑的均相化，Ga-Sn和Ga-In合金固態(tài)和液態(tài)時(shí)的原子/電子結(jié)構(gòu)以及催化性質(zhì)對(duì)比。

原位結(jié)構(gòu)表征和第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，固態(tài)時(shí)，Sn和In形成了相分離的納米團(tuán)簇，均勻嵌在固態(tài)Ga基質(zhì)中；液態(tài)時(shí)，Sn和In以單原子形式游離分散在熔融態(tài)Ga中。電子結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)，和固態(tài)Ga相比，負(fù)載在液態(tài)Ga中的活性中心具有顯著增強(qiáng)的還原性，使CO2還原產(chǎn)物甲酸的選擇性由固態(tài)時(shí)的30%提高到液態(tài)時(shí)的95%以上，析氫副反應(yīng)得以明顯抑制。此外，液態(tài)合金由于具有良好的氧化還原可逆性及表面組分的可流動(dòng)性，表現(xiàn)出自修復(fù)特性，其催化穩(wěn)定性得以顯著改善。

該研究探索了液態(tài)材料作為非均相催化劑負(fù)載基底方面的可行性，為非均相催化劑均相化提供了一種新的表界面合成思路。