厦大Nat. Commun. 打破传统认识，DFT助力设计高效CO2还原电催化剂

将CO₂电催化转化成燃料和化学品，因具有重要意义，近年已引起广泛关注。甲酸作为一种重要的工业原料，在制药、皮革和造纸方面都有重要的应用，此外，还可以作为氢载体用于直接甲酸燃料电池。

目前，CO₂电催化还原制甲酸虽然可以获得较高的选择性，但高选择性通常都是在较低的活性下实现的，并且选择性对外加电位或电流非常敏感，这导致工业上关注的甲酸生成速率难以提高。

厦门大学化学化工学院王野课题组与吴德印课题组合作，在二氧化碳电催化还原制甲酸的研究上取得重要突破。

一般认为，H₂O还原析氢反应是CO₂还原反应的竞争反应，促进H₂O的活化将降低CO₂还原反应的选择性。基于该传统认识设计出的高选择性催化剂常常活性低。

王野课题组打破这种认识，提出H₂O分子活化在CO₂还原中的重要性，并发展出通过硫修饰金属表面活化H₂O分子而促进CO₂还原制甲酸的新方法。

基于该新方法，王野课题组成功合成了一种硫掺杂的铟催化剂（S-In），该催化剂在非常宽的电流密度范围内（25~100 mA cm^-2），均可以维持85%以上的甲酸选择性。在93%的甲酸选择性下，甲酸的生成速率可达1449 μmol h-1 cm^-2，突破了目前CO₂电催化还原制甲酸生成速率的极限（1000 μmol -1 cm^-2）。

与吴德印课题组合作，通过DFT计算明确了In表面S的促进机制。此外，进一步将硫的促进作用拓展到了其它硫族元素（硒和碲），金属铟拓展到其它p区金属（铋和锡），均可以实现很好的促进效果，表明通过适当地促进水的活化来提高CO₂的电催化还原具有普适性。该工作为理性设计高效CO₂还原电催化剂提供了新策略。

王野课题组一直致力于C1化学领域的基础研究。在CO₂、合成气、甲醇等小分子的催化转化方面，取得了一系列重要突破(Nat. Catal. 2018, 1, 787; Nat. Commun. 2018, 9, 1181; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 12012; Chem 2017, 3, 334; Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 4725; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 4553; Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 5776; Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 2438; Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 5200)。

课题组主页：http://pcoss.xmu.edu.cn/wangye/

该工作由2016级能源材料化学协同创新中心iChEM博士生马文超、固体表面物理化学国家重点实验室高级工程师谢顺吉（共同第一作者）和2015级博士生张霞光（共同第一作者）等共同完成。上海光源姜政教授和孙凡飞博士为同步辐射表征提供了支持。

Ma W, Xie S, Zhang X G, et al. Promoting electrocatalytic CO₂ reduction to formate via sulfur-boosting water activation on indium surfaces[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 892.