近日，东南大学物理学院王金兰教授与美国德克萨斯大学奥斯汀分校刘远越教授团队合作，基于第一性原理的多尺度模拟方法，结合真实电催化反应条件，在单原子稳定性方面取得了最新研究进展，其成果以“Dynamic Stability of Copper Single-Atom Catalysts under Working Conditions”为题在线发表于化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society上。
催化剂的重构现象已普遍存在于许多多相反应中。目前，借助先进的表征技术以及理论计算，我们已经能够探索、理解多种催化剂的重构机制以及它们对催化反应的利弊。然而，在单原子催化剂上，其重构现象以及机理研究却比较罕见。在大多数情况下，我们都默认它们在多相催化反应中是稳定的，特别是在反应初始阶段。但最近的研究发现，由于催化反应不同，反应介质以及应用电位也存在差异，导致单原子催化剂在反应过程中会发生不同程度的重构行为，影响其催化性能。
针对这一问题，王金兰教授、刘远越教授团队以单个铜原子嵌入氮掺杂石墨烯为例，利用“恒电势混合溶剂化动力学模型”，在真实反应条件下探索了单原子Cu与Cu团簇之间的动态可逆转变机制。结果揭示氢的吸附是铜单原子从催化剂表面浸出的重要驱动力。随着电极电位越负，氢的吸附越强，铜单原子越容易从表面浸出。此时，与其他铜原子聚合形成铜小团簇能够作为真正催化活性中心促进CO2还原成乙醇。当反应结束后，电极电位被切断或切换到正值，羟基自由基（OH•）能够促进铜簇氧化，进一步通过再沉积过程回到初始原子分散态，最终完成催化剂的重构循环。以上这些结果采用传统的电中性DFT方法很难被观察到。因此，该工作不仅为真实反应条件下发生的重构现象提供了更全面的机理解释，还为设计和开发具有高性能的电催化剂提供了新思路。
本文的第一作者是东南大学博士生白晓婉和德克萨斯大学奥斯汀分校博士后赵训华，东南大学物理学院王金兰教授和德克萨斯大学奥斯汀分校刘远越教授为共同通讯作者。该工作受到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等资助。