催化领域中的自由能台阶图（Free Energy Diagram）是理解反应机理的核心工具，简单说就是用图形化的方式展示化学反应每一步的能量“爬坡”过程。它能直观回答“哪一步最难进行”“催化剂到底怎么起作用的”这类关键问题。
什么是自由能台阶图
自由能台阶图本质是“反应路径的能量地图“。它以反应步骤（或中间体）为横坐标，以吉布斯自由能（Gibbs Free Energy）为纵坐标，用台阶高度表示每个反应步骤的能量变化。催化反应中每个中间体（如 *CO, *H 等“吸附态物种”）都对应一个能量台阶，而台阶之间的高度差就是该步的能垒（决定反应快慢的关键）。
为什么叫“台阶”？
因为能量变化像爬楼梯：吸能反应是“上台阶”（ΔG > 0），放能反应是“下台阶”（ΔG 。举个简单例子：水分解制氢反应（2H₂O → 2H₂ + O₂）在催化剂表面会分多步进行，每一步的能量变化都会在图中形成“台阶”。
核心作用：这张图能直接告诉你—“反应最难的是哪一步”“催化剂有没有真的帮上忙”。
有什么用
揭示反应瓶颈
台阶图中最高的台阶决定了整个反应的速率（决速步）。比如图(h)展示的镍磷催化剂（Ni₂P）析氢反应图中，从H*到H₂脱附”这步（ΔG ≈ 0.3 eV）明显高于其他步骤，说明这是当前催化剂的弱点。
DOI:10.1038/s41467-018-04746-z
图解：红圈处的高台阶（*H→H₂）是性能瓶颈，优化催化剂需优先解决这一步。
对比催化剂性能
不同催化剂的台阶图叠在一起，优劣一目了然。图(b)对比了钛基MXene材料与铂催化剂的析氢反应图：铂的台阶高度低且平，接近零（理想催化剂特征），而其他材料的台阶有“高坡”，性能差距直观可视。
DOI: 10.1016/j.flatc.2024.100692
预测反应产物
如果反应存在多条路径（如CO₂还原可生成CO、甲烷、乙烯等），每条路径的台阶终点能量会不同。终点能量更低的那条路径即为热力学优势产物。例如CO₂还原生成乙烯和乙醇的反应机制模型，整合了实验观测与理论计算结果，解释了在不同电位下铜催化剂表面结构对产物选择性的影响。
DOI: 10.1038/s41560-024-01633-4
指导催化剂设计
通过台阶图锁定关键中间体的吸附强度（如 *CO, *OOH 的吸附自由能ΔG），可反向设计催化剂。例如钴单原子催化剂需优化*CO吸附强度，才能平衡活性和选择性。
DOI： 10.1002/smll.202001896
核心要素
一张完整的自由能台阶图包含以下要素：
DOI：10.1016/j.enrev.2024.100069
横坐标：反应坐标（Reaction Coordinate）
本质是反应步骤编号，比如“1. CO₂吸附→2. *COOH形成→3. *CO脱附”；有时写中间体名称（如 *COOH, *CO）或“虚反应坐标”；关键点标出中间体（IS）、过渡态（TS）、终态（FS）。
纵坐标：吉布斯自由能ΔG* 单位eV（电子伏特），1 eV ≈ 96.5 kJ/mol；零点通常设为反应物能量（如CO₂+H₂O的能量基准）。
核心标记：台阶高度：每步的ΔG变化值；峰顶（TS）：过渡态能量，决定反应能垒（Eₐ）；终点位置：产物能量决定反应驱动力（ΔG
如何获得