溶剂化校正理论揭示铋/铟单原子合金催化CO2制甲酸反应机制与设计策略

来自前沿理论计算研究团队通过结合密度泛函理论（DFT）和从头算分子动力学（AIMD），系统探究了水溶剂与铋/铟晶面的相互作用，开发了CO2还原制甲酸关键中间体的溶剂化能校正参数，筛选出Zn1Bi(012)、Cu1Bi(001)等四种高性能单原子合金催化剂，为高效电催化CO2RR提供关键理论依据。

　　

本研究通过结合密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）与从头算分子动力学（Ab Initio Molecular Dynamics, AIMD）方法，深入探究了水溶剂环境与铋(Bi)和铟(In)不同晶面（包括Bi(001)、Bi(012)、In(101)及In(002)）之间的相互作用机制。团队成功开发出一套针对二氧化碳还原反应（CO₂ Reduction Reaction, CO₂RR）生成甲酸（HCOOH）路径中关键中间体的溶剂化能校正参数。

研究结果表明，由于氢键效应的影响，水分子能够显著稳定反应中间体，尤其在原子半径较大的金属高指数晶面上效果更为明显。基于此溶剂化校正模型，团队系统评估了49种由d区及p区金属掺杂Bi/In所形成的单原子合金（Single-Atom Alloys, SAAs）催化CO₂还原至甲酸的自由能曲线，从中筛选出四种高性能催化剂：Zn₁Bi(012)（极限电位U_L = ?0.14 V）、Cu₁Bi(001)（U_L = ?0.21 V）、Sb₁In(101)（U_L = ?0.26 V）和Bi₁In(002)（U_L = ?0.19 V）。该研究不仅提供了关键的溶剂化作用参数，也为理性设计高活性、高选择性的铋/铟基单原子合金催化剂提供了坚实的理论支撑。