通過電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)(CO₂RR)將CO₂轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)物為緩解環(huán)境和能源問題提供了一條有效的方法。然而，具有線性結(jié)構(gòu)的CO₂分子具有很強的分子惰性，需要高能量輸入才能激活/斷開C=O鍵；此外，電化學(xué)CO₂RR涉及多個質(zhì)子-電子對轉(zhuǎn)移步驟，降低了產(chǎn)物的選擇性。具有獨特結(jié)構(gòu)和優(yōu)異電子特性的石墨炔(GDY)近年來受到越來越多的關(guān)注。GDY中?C≡C?的sp雜化使π/π*垂直指向中心金屬，與金屬原子形成強相互作用，最大限度地阻止它們的聚集。

因此，利用GDY作為載體的金屬單原子催化劑(M/GDY)表現(xiàn)出優(yōu)異的CO₂RR活性。此外，利用Castro-Stephens偶聯(lián)反應(yīng)合成的多孔石墨炔(HGY)具有特殊的π-共軛結(jié)構(gòu)和非線性sp，鍵使得HGY也成為形成錨定單金屬位點(M/HGY)的潛在載體。

然而，目前基于HGY的單原子催化劑未在實驗中實現(xiàn)，其CO₂RR機理尚不清楚。因此，全面理解GDY和HGY在CO₂RR催化劑設(shè)計中的潛在作用對于催化劑的優(yōu)化具有重要意義。

基于此，北京化工大學(xué)黃世萍和新加坡國立大學(xué)郭翔宇等將一系列過渡金屬原子錨定在GDY和HGY上，并通過密度泛函理論(DFT)計算和機器學(xué)習(xí)，揭示了GDY和HGY負載的單原子催化劑(SACs)的CO₂RR性能及其催化機理。

具體而言，研究人員共建立了60個SAC模型，其中有25個催化劑表現(xiàn)出較高的CO₂活化能力和CO₂RR選擇性，可以作為高效的CO₂RR催化劑。同時，有8種催化劑表現(xiàn)出比Cu (211)更高的CO₂轉(zhuǎn)化為甲烷活性。

理論計算結(jié)果表明，催化活性的提高來源于反應(yīng)中間體與金屬之間的相互作用，其中帶有較小極化電荷的中心金屬原子更容易誘導(dǎo)CO₂分子的適度活化，從而產(chǎn)生較高的CO₂RR催化活性。還有就是，通過合理選擇催化劑載體，可以很好地解決催化活性、產(chǎn)物選擇性以及金屬中心的中毒問題。

此外，包括機器學(xué)習(xí)在內(nèi)的統(tǒng)計分析能夠確定影響總體性能的關(guān)鍵屬性，并建立可預(yù)測的框架來篩選大量的SAC組合空間?？偟膩碚f，這些結(jié)果有助于全面理解金屬元素和載體在CO₂RR中的作用，為合理構(gòu)建基于GDY和HGY的SAC以提高CO₂RR性能提供了指導(dǎo)。

Design of Graphdiyne and Holey Graphyne-Based Single Atom Catalysts for CO₂ Reduction With Interpretable Machine Learning. Advanced Functional Materials, 2023. DOI: 10.1002/adfm.202213543