林森课题组发表Perspective文章：外围环境是单原子催化CO2还原的关键

近日，林森课题组与中科院大连化物所林坚研究员团队合作，在国际知名化学期刊《Chemical Science》发表题为“The Peripheral Environment: Key to Advanced Single-Atom Catalysis for CO₂ Reduction”的Perspective文章。该文章系统总结了单原子催化剂中“外围环境”的调控作用，提出了超越传统第一配位壳层的新设计框架，为高效、稳定、高选择性的CO₂电还原催化剂设计提供了新思路。

电催化CO₂还原为燃料和化学品，是实现碳中和的重要路径。单原子催化剂原子利用率高、活性位点明确，被认为是最有前景的CO₂电还原材料之一。传统设计理念主要关注中心金属原子及其第一配位壳层。但越来越多证据表明，仅看中心金属和第一壳层，无法完整解释催化剂在实际工况下的活性、选择性和稳定性差异。

文章明确提出，第一配位壳层之外，外围环境同样关键。作者将外围环境定义为超越第一配位壳层、但仍与中心金属保持电子或结构耦合的因素，包括高配位壳层、载体缺陷与边缘、孔道限域与骨架效应、邻近金属物种，以及动态界面微环境。这些因素通过由外而内的机制，调节单原子位点的电子结构、中间体吸附和反应路径，从而改变CO₂还原的活性和产物选择性。

文章以“外围结构、电子调控、反应路径、产物选择性”为主线，总结了近年实验与理论进展。实验方面，介绍了外围配位环几何对Fe-N₄位点的影响、第二壳层S掺杂对Cu-N₃位点C₂H₄选择性的提升、载体氧空位与边缘结构的调控作用，以及邻近金属位点对C-C偶联的促进。理论方面，从电子结构分析到显式溶剂分子动力学和恒电势模拟，揭示了外围环境如何通过长程电子诱导、轨道耦合和限域效应，调控中心金属的d带中心、中间体稳定性和反应路径。文章还强调，实际工况下活性位点、界面水网络和离子分布都在动态演变，单原子催化研究应从静态结构设计走向动态耦合调控。

图 1 影响单原子催化剂CO₂RR外围效应的五个关键方面示意图

作者提出了四个未来方向。一是建立统一描述符，结合机器学习快速探索结构空间。二是推动实验与理论深度融合，结合精准合成、原位表征和自动化平台。三是理解动态过程，发展高时空分辨表征和可在相关时间尺度模拟的理论方法。四是面向实际应用，在工业级电流密度和长时运行条件下验证设计策略。

该文章将单原子催化的关注点从孤立金属中心拓展到完整催化活性域，提出了新的设计框架，对CO₂电还原催化剂开发具有重要指导意义。

福州大学化学学院林森教授和中国科学院大连化学物理研究所林坚研究员为论文通讯作者。福州大学化学学院博士研究生冯国宁和大连化学物理研究所陈洋博士为共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金、澳门科学技术发展基金、辽宁省青年拔尖人才项目、辽宁省杰出青年学者基金等支持。

论文信息：“The Peripheral Environment: Key to Advanced Single-Atom Catalysis for CO₂ Reduction”, Guoning Feng, Yang Chen, Jia Zhao, Fenfei Wei, Weng Fai Ip, Jian Lin*, Xianzhi Fu, Sen Lin*, Chemical Science (2026), https://doi.org/10.1039/D6SC04519G.