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Angew. Chem. :基于DigCat平臺的大數據分析與精準理論建模,深度解析Sn基催化劑CO?還原的pH效應2025-02-24
錫(Sn)基催化劑已被廣泛研究用于電化學CO2還原反應生成甲酸,但單原子Sn和多原子Sn的結構敏感性對其pH依賴性性能的復雜影響仍然是個謎團。

近日,日本東北大學李昊團隊攜手香港城市大學范俊團隊、山東大學程合鋒團隊,結合李昊團隊開發的DigCat平臺(https://www.digcat.org)進行大規模的數據挖掘,通過pH依賴的動力學預測與實驗驗證,揭示了單原子Sn和多原子Sn催化劑之間存在相反的pH依賴行為。

此外,團隊不僅將所有的計算結構和實驗數據上傳至DigCat平臺,更重要的是,也將pH依賴的火山圖模型上傳至DigCat平臺,方便后續用戶使用和分析。

 

 

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圖1

通過對2,348種已報道催化劑的CO2還原性能數據進行大規模挖掘 (所有實驗數據均已儲存于作者團隊開發的DigCat數據庫),團隊系統分析了不同催化劑類型的主要產物法拉第效率(FE)。其中,Sn基催化劑在形成甲酸方面表現出顯著的活性和pH依賴性。

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圖2

在電化學條件下,準確識別Sn基催化劑的活性表面是揭示結構-性能關系的關鍵。團隊通過表面Pourbaix相圖和機器學習力場加速的分子動力學模擬,分析了多原子Sn在負電位下的表面狀態及重構行為。結果表明,SnO2表面在負電位下逐漸形成富含氧空位的還原表面,最終轉變為金屬Sn納米棒覆蓋的表面。

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圖3

研究表明,單原子Sn上正偶極矩使*OCHO在負電場中更穩定,而多原子Sn(重構的SnO2)體系表現出相反趨勢。進一步通過顯式溶劑模型精準評估了Sn基催化劑的零電荷電勢的值,為了后續pH依賴的動力學模擬做鋪墊。

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圖4

團隊通過pH依賴模型,結合動力學和熱力學分析,揭示單原子和多原子Sn催化劑在CO2RR中生成甲酸的結構敏感性。結果表明,pH變化導致單原子Sn催化劑和多原子Sn催化劑的活性火山圖分別向相反方向移動。本研究提出的pH依賴模型深入揭示了Sn基催化劑pH依賴的行為。通過合成Sn-N4-C SAC并結合詳細表征,驗證結果與預測高度一致。此外,r-SnO2-x在中性和堿性條件下的實驗與理論數據表現出良好一致性。

最終,團隊提出Sn基催化劑相關的設計策略:單原子Sn催化劑應適當增強OCHO的結合強度,多原子Sn催化劑則需適當減弱其結合能。

文信息

Divergent Activity Shifts of Tin-Based Catalysts for Electrochemical CO2?Reduction: pH-Dependent Behavior of Single-Atom Versus Polyatomic Structures

Yuhang Wang,?Di Zhang,?Bin Sun,?Xue Jia,?Linda Zhang,?Hefeng Cheng,?Jun Fan,?Hao Li

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202418228

 

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