郑世胜/李剑锋National Science Review：次表层H作为CO2电还原条件下Cu表面重构的潜在驱动力

第一作者：张嗣旺

通讯作者：郑世胜*，李剑锋*

单位：厦门大学

CO₂RR是实现碳中和目标的重要途径之一。其中，铜因其能将CO₂转化为C₂+产物的独特能力而备受关注。然而，Cu在实际反应条件下常发生显著的结构重构，严重制约了其催化稳定性。尽管表面吸附氢（Hsur）可适度削弱Cu-Cu金属键，但因其作用有限，以往研究更多关注CO诱导的重构。值得注意的是，氢具有极小的尺寸和高迁移率，不仅能吸附于表面，还可渗透至次表层形成次表层氢（Hsub）。在Pd、Pt等其他金属体系中，Hsub已被证实显著影响结构稳定性，但在Cu体系中，由于晶格间隙较小，Hsub的形成机制及其对CO₂RR过程中结构演化的影响尚不明确。因此，亟需深入探究Hsub在Cu表面重构中的作用，为设计高稳定性Cu催化剂提供理论依据。

厦门大学郑世胜副研究员和李剑锋教授在期刊National Science Review上发表题为“Subsurface Hydrogen as a Hidden Driver of Copper Surface Reconstruction in CO₂ Electroreduction”的文章。该文章通过发展结合构型采样、机器学习力场、巨正则蒙特卡洛模拟和动力学计算的多尺度模拟工作流，提出了在CO2电还原条件下，次表层H的形成机制以及其对表面重构以及产物选择性差异的影响，提出了次表层H作为CO2电还原条件下Cu表面重构的潜在驱动力的观点。

在CO2电还原条件下，在H和CO吸附质的作用下，Cu（100）晶面的部分四重位点表面环境会发生重构，重构为更紧密分布的类（111）表面三重位点环境，这使得其他的四重位点表面环境的空腔间隙增大，降低了表面H迁移至次表层的能垒。Cu（111）晶面因本身分布致密，则难以通过类似机理形成亚表层H。

即使不共吸附CO, 亚表层的H也能够显著促进表面Cu吸附原子的形成。CO的存在可以进一步促进Cu吸附原子的形成，形成的Cu吸附原子具有低配位的特性，这些低配位的位点，对CO质子化不利，对于CO的耦合有促进作用。

表面H的不断渗入，长久来看不利于催化剂的稳定性，本文提出合金化策略，引入Zn、Al、Ga等金属，引入这些金属后降低了H的吸附能，从而减少了表面H的覆盖度，进一步增加了表面H迁移至次表面迁移的难度，有效抑制氢的持续渗入。

Subsurface Hydrogen as a Hidden Driver of Copper Surface Reconstruction in CO₂ Electroreduction

郑世胜，厦门大学特任副研究员，博导。主要研究方向为人工智能驱动的电化学体系研究。通过发展基于数学、人工智能和第一性原理计算的多尺度模拟方法，探索界面双电层构效关系，催化剂结构动态演化，覆盖度效应等复杂多相催化机理现象。以第一或通讯作者（含共同）在Nature、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、CCS Chem.、Adv. Mater.、npj Comput. Mater.、ACS Catal.、J. Energy Chem.、Sci. China Mater.等高水平期刊发表论文，总被引3400余次，H指数23。入选福建省高层次人才，厦门大学南强青年拔尖人才等。

李剑锋，厦门大学化学化工学院教授，能源学院常务副院长。于2003年获得浙江大学学士学位，2010年获得厦门大学博士学位，随后在伯尔尼大学和苏黎世联邦理工学院进行博士后研究（2011-2014）。研究重点是表面增强拉曼光谱、电化学、原位表征以及公共安全和医疗保健的快速现场检测。国家杰出青年科学基金获得者（延续资助）。在Nature、Nature Energy、Nature Mater.、Nature Nanotechnol. 、Nature Catal.、Nature Commun.等期刊上发表论文。

张嗣旺，厦门大学化工化工学院2023级硕士研究生。

厦门大学李剑锋课题组官网：https://jfli.xmu.edu.cn/index.htm