协同Si-M双原子催化剂促进CO2加氢制甲酸：受阻路易斯酸碱对活化的DFT研究

研究人员针对CO2高效转化难题，通过密度泛函理论（DFT）揭示了Si-Cr/Mn/Fe/Co双原子催化剂在甲酸合成中的协同机制，阐明了受阻路易斯酸碱对（FLP）的活化路径，为绿色碳循环催化剂设计提供了新思路。

　　

随着全球气候变化加剧，二氧化碳（CO₂）的转化利用成为绿色化学领域的重要课题。其中，将CO₂加氢制甲酸（HCOOH）因其产物在能源储存和化工原料中的广泛应用而备受关注。然而，传统催化剂面临活性低、选择性差等挑战，特别是对CO₂惰性分子高效活化的机制尚不明确。

中国科学院大连化学物理研究所的研究团队在《Molecular Catalysis》发表论文，通过密度泛函理论（DFT）系统研究了硅（Si）与过渡金属（Cr/Mn/Fe/Co）组成的双原子催化剂（DACs）在CO₂加氢中的作用机制。研究发现，Si-M双原子位点通过形成受阻路易斯酸碱对（Frustrated Lewis Pair, FLP），显著降低了反应能垒，其中Si-Co体系表现最优，甲酸形成的自由能垒仅为0.68 eV。

研究采用DFT计算结合分子动力学模拟，分析了催化剂电子结构、吸附构型和反应路径。关键发现包括：1）Si与M的协同作用通过电荷重分布增强CO₂活化；2）FLP特性促进H₂异裂解离；3）反应遵循甲酸盐（HCOO*）路径而非羧酸（COOH*）路径。

在"结果与讨论"部分，作者通过电子局域函数（ELF）和电荷密度差分析揭示了Si-M键的极化特性（图2），而过渡态计算表明Co体系具有最低的决速步能垒（图3）。此外，动力学模拟证实Si-Co催化剂在常温下稳定性优异，避免了传统金属催化剂的烧结问题。

这项研究的意义在于：1）首次阐明Si基双原子催化剂在CO₂加氢中的FLP效应；2）提出"金属-类金属"协同设计新策略；3）为开发非贵金属催化剂提供理论指导。论文最后指出，未来可通过调控Si/M比例进一步优化催化剂性能，推动CO₂资源化利用的工业化进程。