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人类社会步入工业化时代以来，大幅度地使用化石燃料，加剧了二氧化碳的排放，造成了全球变暖和海洋酸化等严重的环境问题。由于现在没有可靠的化石燃料替代品，在可预见的未来，化石燃料仍将继续成为我们生活的主要能源物质。碳达峰碳中和是我国党中央经过深思熟虑作出的重大战略决策，事关中华民族永续发展和构建人类命运共同体。科技创新是同时实现经济社会发展和碳达峰碳中和的关键。
为了降低大气中的二氧化碳，研究者们利用各种催化体系将二氧化碳转化成具有高附加值的产品。通过电催化二氧化碳还原反应来制备高附加值精细化学品是积极探索建立人工碳循环的方向之一，引起了基础研究与工业应用领域研究者的广泛关注。在“碳达峰碳中和”的大背景下，设计出具有有高活性、高选择性和高稳定性的二氧化碳电还原催化剂具有重要的现实意义和应用前景。
通过电还原反应可以将二氧化碳直接转化为甲酸、醇类和烃类等产物，该方法不仅可以在很温和的环境条件下进行，有利于大规模的产业化，同时可以通过调节电解池和催化剂的特性来有效地调控产物，并且在转化过程中具有很高的经济效益和可持续性。当前，金、银、铜、铂等贵金属及其相关材料仍然是人们探索二氧化碳还原电催化剂的热点。然而，贵金属催化剂具有催化活性低、产物选择性差以及析氢效率高等问题。
内蒙古大学物理科学与技术学院赵忠龙副教授带领团队，利用第一性原理计算模拟，首次提出了双金属单层电催化剂表面的“双位泛函”机制，能够有效地抑制析氢副反应并提升二氧化碳电还原为甲酸产物的活性和选择性。
然而，实验合成具有超薄壳层的双金属电极仍然是一个挑战。研究团队利用第一性原理计算模拟方法，首次提出过渡金属碳化物和氮化物可以作为贵金属单层的衬底，在保留“双位泛函”的基础上，能够显著提升催化剂的电化学稳定性。
实验表明，碳化物和氮化物支撑贵金属单层以及单层团簇催化剂中存在氢-衬底反键相互作用，能够打破吸附氢和二氧化碳还原中间物之间的能量线性关系。此外，研究团队通过理论模拟预测了一系列具有较高甲酸、甲醇和乙烯等碳氢化合物产物选择性的新型电催化剂，为提升电化学二氧化碳还原性能提供了新思路。相关成果近日在线发表于国际能源类期刊《先进能源材料》。
