催化自由能台阶图的一个关键作用是帮助识别反应中的决定步骤（Rate-Determining Step, RDS）。在自由能图中，能量最高的过渡态通常对应于反应的最慢步骤，因为该步骤需要克服最大的能量壁垒。
例如，RuO₂(110)表面的Ru原子的自由能变化图中，标注了“Determining step”，表明该步骤是整个反应过程中的关键步骤。通过分析自由能台阶的高度，可以判断哪个步骤对反应速率的影响最大，从而为优化催化剂结构或反应条件提供理论依据。
自由能台阶图可以直观地展示催化剂在不同反应步骤中的作用。例如，酶催化CO₂水合反应的自由能变化，其中每个步骤的自由能变化都标注了具体的数值（以kcal/mol为单位）。通过比较不同步骤的自由能变化，可以评估催化剂在不同反应阶段的活性。
例如，质子转移、CO₂递送和HCO₃⁻释放等步骤的自由能变化反映了催化剂在这些过程中的效率。如果某个步骤的自由能变化较小，说明该催化剂在该步骤中具有较高的活性。
自由能台阶图还可以用于分析反应路径的稳定性。Pd催化的C-H芳基化反应的自由能图，其中四个过渡态（TS1至TS4）和中间体（I0、I1、I2、I3）的自由能变化被详细标注。通过比较不同过渡态的自由能，可以判断反应路径的稳定性。
例如，TS1的自由能为+15.0 kcal/mol，而TS2的自由能为+8.4 kcal/mol，这表明TS2比TS1更稳定，反应路径可能更倾向于经过TS2。这种分析有助于理解催化剂在不同反应路径上的行为。
在电催化反应中，自由能台阶图可以用于预测反应的过电位（Overpotential, η）。过电位是衡量催化剂性能的重要指标，它反映了催化剂在实际应用中需要克服的能量壁垒。
例如，在[100]中，Pt₃Co催化剂的自由能台阶图分析了其在氧还原反应（ORR）中的过电位（η），发现Pt₃Co（211）晶面的η最小，为0.294 eV，表明该晶面具有最高的ORR活性。通过自由能台阶图，可以预测不同催化剂或不同晶面的过电位，从而指导高活性催化剂的设计。
自由能台阶图不仅能够展示反应的热力学信息，还可以揭示反应的机理。例如，酶催化CO₂水合反应的各个步骤，包括质子转移、CO₂递送、催化反应和HCO₃⁻释放等。通过自由能变化的分析，可以推断出反应中的关键中间体和过渡态，从而揭示反应的详细机理。这种机理的理解对于设计新型催化剂或优化反应条件具有重要意义。
自由能台阶图可以用于比较不同催化剂的性能。例如，RuO₂(110)表面的Ru原子的自由能变化图显示了其在氧析出反应（OER）中的能量变化，而[100]中则比较了Pt₃Co不同晶面的ORR性能。通过比较不同催化剂的自由能台阶图，可以评估它们在不同反应步骤中的表现，从而选择最优的催化剂。
自由能台阶图可以为催化剂设计提供理论指导。例如，在[100]中，通过分析Pt₃Co催化剂的自由能台阶图，研究者发现Pt₃Co（211）晶面的η最小，表明该晶面具有最高的ORR活性。
基于这一发现，研究者可以进一步优化Pt₃Co催化剂的结构，以提高其催化性能。此外，自由能台阶图还可以帮助研究人员理解催化剂表面的电子结构、配位环境等因素对反应的影响，从而为设计新型催化剂提供理论依据。
催化自由能台阶图在化学和材料科学中具有重要的应用价值。它不仅可以帮助研究人员识别反应的决定步骤、评估催化剂的活性、分析反应路径的稳定性、预测反应的过电位、揭示反应机理、比较不同催化剂的性能、指导催化剂设计、评估反应的热力学可行性、揭示反应的动态行为以及揭示反应的量子行为，还可以为实际应用中的催化剂优化提供理论依据。因此，催化自由能台阶图是研究催化反应不可或缺的工具。