近年来，大气中的二氧化碳（CO₂）浓度居高不下，对大气环境造成的危害日益显著。如何实现CO₂高效活化及转化，是具有极大挑战性的国际前沿科学问题。

近日，中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室、大连光源科学研究室研究员江凌和樊红军团队，与河北工程大学副教授赵志合作，利用自主研制的红外光解离实验装置，发现激光蒸发后的锆（Zr）能与CO₂形成双齿配位的新颖结构，从而高度活化CO₂。研究团队还发现，除锆之外的其他过渡金属也有类似效果，并阐明了过渡金属对CO₂的高效活化机理。相关研究成果发表于《物理化学快报》。

江凌告诉《中国科学报》，CO₂的碳氧键非常强，难以活化并转化为可持续利用能源；以往，为了研究活化CO₂的新方法，研究人员往往采用“盲试”的方法，逐个验证哪些元素或化合物能起作用。这主要是因为缺乏观察和探测反应中间体表征的工具。然而，这些反应中间体的数量密度低、寿命短、结构复杂，想要“看到”它们并不容易。

为此，研究团队希望研制高灵敏度、高时间分辨以及对结构敏感的谱学探测装置。经过联合攻关，研究团队将高分辨率质谱与光参量振动激光器相结合，自主研制出具有国际先进水平的红外光解离光谱。该仪器可原位/在线高灵敏探测关键反应中间体的组成与结构，为诠释催化反应机制提供了可能。

此后，研究团队在实验中发现，将CO₂充入经过激光蒸发的锆周围后，CO₂浓度明显降低。为了探究其中的奥秘，研究人员利用红外光解离实验装置，测定了反应产物的红外光谱，首次发现[ZrO(CO₂)_n=4-7]⁺拥有CO₂被高度活化的光谱特征。同时，研究团队用高精度的量子化学计算方法，计算了[ZrO(CO₂)_n=4-7]⁺的稳定结构和红外光谱，理论与实验高度吻合。

江凌表示[ZrO(CO₂)_n=4-7]⁺团簇离子存在独特双齿配位结构，表现出很高的CO₂活化效率。同时，形成这种CO₂高效活化功能的双齿配位结构应该具备两个先决条件，一是金属中心需要具有很强的还原能力，二是金属中心的氧化态需比其最高价态低1。

研究团队认为，该结果为单金属中心活化CO₂的微观机理提供了新的思路，对CO₂的活化和转化等基础和应用研究具有重要意义。

相关论文信息： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.0c03379