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鞏金龍/趙志堅(jiān)Angew: 機(jī)器學(xué)習(xí)+DFT探究銅鋅催化劑的CO2ER活性位點(diǎn)

在銅基催化劑上將CO₂電化學(xué)還原（CO₂ER）為多碳化學(xué)原料具有相當(dāng)大的吸引力，但目前仍存在活性位點(diǎn)不明確的問(wèn)題，這阻礙了催化劑的合理設(shè)計(jì)和大規(guī)模工業(yè)化。

在此，天津大學(xué)鞏金龍教授、趙志堅(jiān)教授等人基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的全局優(yōu)化、DFT計(jì)算相結(jié)合的方法進(jìn)行了一種大規(guī)模模擬以獲得真實(shí)的銅鋅納米粒子（NPs）模型，并研究了CO₂ER中CuZn催化劑上C₂₊產(chǎn)物活性位點(diǎn)的原子級(jí)結(jié)構(gòu)。

為了深入了解CuZn NPs的真實(shí)表面結(jié)構(gòu)，尋找熱力學(xué)最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。作者基于具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)隨機(jī)表面行走算法（NNSSW）的全局優(yōu)化來(lái)搜索CuZn NPs的全局最小值（GM），研究了具有309個(gè)金屬原子的較大NPs。通過(guò)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)能的高通量測(cè)試，作者分析了2000多個(gè)表面位點(diǎn)并最終確定了兩種活性位點(diǎn)，即平衡的Cu-Zn位點(diǎn)和 Zn原子主導(dǎo)的Cu-Zn位點(diǎn)，二者均有助于C-C耦合從而提高CO₂ER的選擇性。

圖1. CuZn NPs合成的理論模擬

通過(guò)Bader電荷和ICOHP分析表明，CuZn協(xié)同效應(yīng)位點(diǎn)對(duì)中間體*CO的吸附有很大影響，并且在CO₂ER生成C₂₊產(chǎn)物的過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。CuZn原子排列會(huì)影響關(guān)鍵中間體*CO與CuZn表面的相互作用，從而影響*CO與活性位點(diǎn)之間的電子轉(zhuǎn)移。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果也再次證明，由適度的Zn摻雜驅(qū)動(dòng)的具有最佳*CO吸附的 NP 可以促進(jìn)CO₂ER生成C₂₊產(chǎn)物。因此，這項(xiàng)工作為結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法合理設(shè)計(jì)高效銅基催化劑提供了指導(dǎo)，為構(gòu)建更現(xiàn)實(shí)的大尺度粒子模型和建立更準(zhǔn)確的多相催化原子級(jí)結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系提供了通用的研究框架。

圖2. 活性位點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

Nature of the Active Sites of Copper Zinc Catalysts for Carbon Dioxide Electroreduction, Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202201913

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