近幾十年來，二氧化碳排放量的增加以及由此產生的全球變暖和氣候變化問題越來越嚴重。相應地，選擇性地將CO₂還原為甲醇(CH₃OH)和甲烷(CH₄)等可循環利用的增值化學品已被認為是實現生態系統可持續發展的一種有前途的策略。

近日，鄭州大學李順方和張麗麗等以Cu_N/MoS₂/Ag(111)異質結構(N=1-8)為模型，采用第一性原理計算方法，建立了動態單簇催化劑(DMSCC)的新概念，用于CO₂高效選擇性還原為CH₃OH。

研究發現，雖然Cu₂和Cu₈由于電子封閉殼層的特性而成為氣相中的獨特團簇，但是當Cu₃和Cu₇沉積在MoS₂/Ag(111)表面時，由于強電磁感應和電荷轉移形成強Cu-S離子鍵，使得Cu₃^0.63+物種比相鄰的物種更加穩定，最接近電子封閉殼層。

此外，CO₂還原過程中的所有中間體和產物都直接吸附在Cu₃團簇上。在Cu₃/MoS₂/Ag(111)催化系統上甲醇生成途徑的決速步是H₃CO*的加氫，其能壘明顯低于最近報道的其他Cu基催化劑和SAC體系。因此，Cu₃/MoS₂/Ag (111) SCC體系具有優異的CO₂還原催化活性。

更重要的是，具有高嗜氧性的堿金屬類電子特征和幾何柔性Cu₃物種的dz²軌道說明了其對CO₂活化和加氫制甲醇的高選擇性催化活性(而不是生成HCOOH，其相對較低的限速反應能壘約為1.10 eV)。對于Cu₇物種，由于其具有高對稱的剛性結構和類鹵素元素的電子構型，阻礙了電荷從Cu活性中心向CO₂的轉移，因此它對CO₂活化具有很高的惰性。綜上，該項工作對設計和制備高效、經濟的單原子尺度CO₂活化轉化催化劑提供了一定的理論基礎。

Selective Hydrogenation of CO₂ to CH₃OH on a Dynamically Magic Single-Cluster Catalyst: Cu₃/MoS₂/Ag(111). ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c05072