由于当前的环境问题和能源危机，二氧化碳（CO2）转化为液体燃料引起了广泛关注。然而，由于二氧化碳的化学惰性，将二氧化碳选择性地转化为目标液体是一项艰巨的挑战。
2025年7月12日，武汉大学郭宇铮、厦门大学黄小青、中科院纳米所徐勇在国际知名期刊Nature Communications发表题为《CO2 hydrogenation to HCOOH catalyzed by aqueous Pd needle assembly》的研究论文， Mengjun Wang、JunJia为论文共同第一作者，郭宇铮、黄小青、徐勇为论文共同通讯作者。
在本文中，作者从理论和实验上证实，钯-钯（Pd-Pd）键的弯曲可以打破不对称势阱，从而促进二氧化碳的吸附。
作者通过“闭合边缘、打开角落”的过程成功合成了一类新的钯纳米针，其主干与分支之间有一个神奇的角度为60°，并且实现了在室温下水相中二氧化碳选择性加氢生成甲酸（HCOOH）。
更重要的是，在100 h内，甲酸的产率约为250 mmol g-1，同时甲酸的选择性超过99%。
本研究架起了纳米结构设计与催化应用之间的桥梁，或将为CO2选择性转化开辟一条全新路径。
图1：密度泛函理论（DFT）模拟的结果。图中显示了不同曲率的Pd结构对CO2吸附和活化的理论计算结果。（a）CO2吸附能量与Pd结构的最近邻配位数（GCN）之间的关系。结果显示，随着曲率增加（即配位数降低），CO2吸附强度显著增强。（b）通过从头算分子动力学（AIMD）模拟，展示了不同曲率的Pd表面上CO2的吸附情况。高曲率的Pd表面（如Pd-14 Å）显示出更强的CO2吸附能力。（c）Pd-14 Å、Pd-23 Å和Pd-slab的4d轨道的部分态密度（PDOS）。结果显示，高曲率的Pd表面的d带中心更接近费米能级，有利于CO2吸附。（d）AIMD模拟快照，进一步验证了CO2在高曲率Pd表面上的强吸附。（e）示意了弯曲应变如何影响结构的对称性和曲率。
图5：CO2加氢制甲酸的机理分析结果。（a-b）通过原位漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）技术，观察了Pd HC-Nds和Pd LC-Nds在CO2/H2混合气中的反应过程。结果显示，Pd HC-Nds表面上的 *CO2、*COOH和C−O伸缩振动峰表明了甲酸的生成过程。（c-d）通过DFT计算，研究了CO2加氢制甲酸的反应路径。结果显示，Pd-14 Å（模拟Pd HC-Nds）的反应能垒显著低于Pd-23 Å（模拟Pd LC-Nds），表明Pd HC-Nds更有利于CO2加氢制甲酸反应。综上，作者通过理论计算和实验相结合的方法，开发了一种新型的钯纳米针（Pd nanoneedles）催化剂，用于高效、选择性地将二氧化碳（CO2）加氢转化为甲酸（HCOOH）。研究团队通过“闭合边缘、打开角落”的合成策略，成功制备了具有高曲率和独特结构的Pd纳米针，实现了在室温下水相中高选择性（超过99%）和高产率（100 h内达到约250 mmol g-1）的CO2加氢反应。
本研究不仅在理论和实验上验证了Pd-Pd键弯曲对CO2吸附和活化的促进作用，还通过设计具有高曲率的Pd纳米针催化剂，实现了CO2加氢反应的高效和高选择性转化。这一成果为CO2的资源化利用提供了一种新的、可持续的催化途径，具有重要的环境和能源意义。该催化剂在常温常压下即可高效运行，且具有优异的稳定性和可重复使用性，显示出广阔的应用前景，尤其是在应对全球变暖和能源危机方面。
Wang, M., Jia, J., Xia, J. et al. CO2 hydrogenation to HCOOH catalyzed by aqueous Pd needle assembly. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61747-5.