第一作者：王宇航
通讯作者：李昊教授，范俊教授，程合锋教授
通讯单位：日本东北大学，香港城市大学，山东大学
论文DOI：10.1002/anie.202418228
锡基催化剂在CO2RR生成甲酸中表现出独特的pH依赖性。本研究结合数据挖掘、机器学习加速分子动力学模拟等，揭示了单原子Sn与多原子Sn因偶极矩变化差异， OCHO结合强度的电场响应相反，导致截然不同的pH依赖的火山图演化。实验验证显示理论与中性和碱性条件下的性能一致，强调需针对不同类型催化剂优化OCHO结合能的策略。
锡（Sn）基催化剂已被广泛研究用于电化学CO2还原反应生成甲酸，但单原子Sn和多原子Sn的结构敏感性对其pH依赖性性能的复杂影响仍然是个谜团。
本研究结合DigCat平台（https://www.digcat.org）进行大规模的数据挖掘，通过pH依赖的动力学预测与实验验证，揭示了单原子Sn和多原子Sn催化剂之间存在相反的pH依赖行为。此外，团队不仅将所有的计算结构和实验数据上传至DigCat平台，更重要的是，也将pH依赖的火山图模型上传至DigCat平台，方便后续用户使用和分析。
通过对2,348种已报道催化剂的CO2还原性能数据进行大规模挖掘 (所有实验数据均已储存于作者团队开发的DigCat数据库)，本研究系统分析了不同催化剂类型的主要产物法拉第效率。其中，Sn基催化剂在形成甲酸方面表现出显著的活性和pH依赖性。
在电化学条件下，准确识别Sn基催化剂的活性表面是揭示结构-性能关系的关键。团队通过表面Pourbaix图和机器学习力场加速的分子动力学模拟，分析了多原子Sn在负电位下的表面状态及重构行为。结果表明，SnO2表面在负电位下逐渐形成富含氧空位的还原表面，最终转变为金属Sn纳米棒覆盖的表面。
研究表明，单原子Sn上正偶极矩使*OCHO在负电场中更稳定，而多原子Sn（重构的SnO2）体系表现出相反趋势。进一步通过显式溶剂模型精准评估了Sn基催化剂的零电荷电势的值，为了后续pH依赖的动力学模拟做铺垫。
本研究通过pH依赖模型，结合动力学和热力学分析，揭示单原子和多原子Sn催化剂在CO2RR中生成甲酸的结构敏感性。结果表明，pH变化导致单原子Sn催化剂和多原子Sn催化剂的活性火山图分别向相反方向移动。本研究提出的pH依赖模型深入揭示了Sn基催化剂pH依赖的行为。通过合成Sn-N4-C SAC并结合详细表征，验证结果与预测高度一致。此外，r-SnO2-x在中性和碱性条件下的实验与理论数据表现出良好一致性。
通过整合 DFT 计算、机器学习力场加速分子动力学模拟、电场-pH 耦合建模以及理论与实验之间的基准分析，本研究揭示了CO2RR中单原子和多原子 Sn 中有趣的 pH 依赖性活性差异。结果表明，Sn-N4-C SAC 和多原子 Sn 催化剂对电场的响应表现出相反的趋势。最终，本研究提出Sn基催化剂相关的设计策略：单原子Sn催化剂应适当增强OCHO的结合强度，多原子Sn催化剂则需适当减弱其结合能。
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
邃瞳科学云