Inom området för elektrokemiska reaktioner, särskilt CO₂-reduktion, är identifiering och utveckling av effektiva katalysatorer av yttersta vikt. Bland olika material som studerats har metall-kväve-kol (M-N-C) katalysatorer dykt upp som lovande kandidater på grund av deras höga aktivitet och selektivitet. Att förstå de underliggande mekanismerna som styr deras katalytiska prestanda är dock fortfarande en betydande utmaning.

Ett betydande genombrott i detta avseende har varit upptäckten av närliggande atomers framträdande roll för att förbättra den katalytiska aktiviteten hos M-N-C-material. Dessa närliggande atomer, typiskt koordinerade till metallcentra, utövar ett djupgående inflytande på den elektroniska strukturen och reaktiviteten hos de aktiva platserna.

En avgörande aspekt är den elektroniska modifieringen av metallcentra. Närliggande atomer kan ändra elektrondensiteten och oxidationstillståndet för metalljonerna och därigenom modulera deras interaktion med CO₂-molekyler. Denna elektroniska inställning påverkar adsorptionen och aktiveringen av CO₂, vilket är kritiska steg i den elektrokemiska reduktionsprocessen.

Till exempel, i fallet med Fe-N-C-katalysatorer, har närvaron av angränsande atomer såsom fosfor (P) eller svavel (S) visats modifiera elektrontätheten i Fe-centra. Denna modifiering förbättrar CO2-adsorptionsstyrkan och underlättar bildningen av reaktionsmellanprodukter, vilket slutligen leder till förbättrad katalytisk aktivitet.

Dessutom kan närliggande atomer också delta i reaktionsmekanismen direkt. De kan fungera som samkatalysatorer eller promotorer som underlättar specifika steg i CO₂-reduktionsvägen. Till exempel kan vissa närliggande atomer tillhandahålla ytterligare aktiva ställen för CO2-adsorption eller främja desorptionen av reaktionsprodukter, och därigenom accelerera den totala reaktionshastigheten.

Utöver dessa effekter kan närliggande atomer påverka stabiliteten och hållbarheten hos M-N-C-katalysatorer. Genom att modifiera den elektroniska strukturen och den kemiska miljön för de aktiva platserna kan närliggande atomer förbättra katalysatorns motståndskraft mot deaktivering och nedbrytning, vilket är kritiska faktorer för praktiska tillämpningar.

Sammanfattningsvis spelar de angränsande atomerna i metall-kväve-kol-katalysatorer en avgörande roll för att öka CO₂-elektrokemisk reduktionsaktivitet. De påverkar den elektroniska strukturen, reaktiviteten och stabiliteten hos katalysatorerna, vilket möjliggör effektiv CO₂-omvandling och banar väg för hållbara elektrokemiska processer.