2023年9月4日，J. Mater. Chem. A在线发表了香港城市大学曾志远教授和日本东北大学Hao Li
课题组的研究论文，题目为《
Identifying hexagonal 2D planar electrocatalysts with strong OCHO* binding for selective
CO
2
reduction
》。
将二氧化
碳（CO
2
）高效
电化学转化为有益的燃料和原料，是促进碳中和和满足日益增长的能源需求的
经济上有利可图的
战略基础。然而，寻找能够表现出与商业贵金属催化剂相当的催化活性的替代催化剂仍然是
CO
2
还原反应（
CO
2
RR）的巨大挑战。具有高比表面积和厚度可调性的二维材料在
CO
2
RR中显示出巨大的潜力。
在此研究中，作者通过表面Pourbaix分析对二维单层材料（
AlN
、
GaN
、
InN
、
SiC
、
GeC
和
SnC
）进行了计算筛选，确定了在操作条件下具有可用位点的五种材料。通过深入研究了这些表面的催化活性，发现它们
对桥位吸附的OCHO*中间体具有很强的亲和力
，因为两个O*表面键具有
明显
负的ICOHP值。相反，
这些表面通常较弱地结合*COOH和H*
，这种吸附强度的差异在抑制不希望的析氢反应（HER）方面非常有效，同时使
CO
2
RR更容易遵循OCHO*路径。
AlN和SiC是生产甲酸（HCOOH）的有前途催化剂，具有较低的决速步反应自由能（ΔG
MAX
: 0.48和0.47 eV）
。此外，
单层SiC也有利于CH
4
的生成，其
ΔG
MAX
为0.41 eV
，且单层SiC的性能高于多层SiC。这项研究为
高效
设计和筛选高活性、
高产物选择性
的二维催化剂提供了新的理论基础。
图1
(a) 作为
CO
2
RR电催化剂的
二维材料
筛选过程；(b-c) 典型二维单层材料的俯视图和侧视图
图3
(a-e) 含两个电子的
CO
2
RR的吉布斯自由能图；(f-g) 二维材料上COOH*或OCHO*的差分电荷密度
图4
(a-c) 不同层C原子垂直排列的完全重叠模型和
完全交错模型
；(d-g)
CO
2
RR的自由能图
图5
(a) 二维材料上HER的自由能图；(b) HER活性与H*结合能的关系图
图6
(a-d)
二维材料上
ΔG
HCOOH*
vs. Δ
G
OCHO*
、ΔG
CO*
vs. ΔG
COOH*
、ΔG
OCHO*
vs. ΔG
COOH*
、ΔG
OCHO*
vs. ΔG
H*
的线性关系；(e-f) 二维材料上CO
2
-CO (ΔG(CO
)
MAX
)和C
O
2
-HCOOH (ΔG(HCOOH)
MAX
)的最大自由能变化随
ΔG
COOH*
和
ΔG
OCHO*
的变化
Zhang, Y., Wang, T., Wang, F. et al.
Identifying hexagonal 2D planar electrocatalysts with strong OCHO* binding for selective
C
O
2
reduction
.
J. Mater. Chem. A
,
2023
, 11, 20528-20538. https://doi.org/10.1039/D3TA04714H
【其他相关文献】
[1] Cheng, D., Zhao, ZJ., Zhang, G. et al. The nature of active sites for carbon dioxide electroreduction over oxide-derived copper catalysts.
Nat. Commun
.,
2021
, 12, 395. https://doi.org/10.1038/s41467-020-20615-0
[2] Zhong, M., Tran, K., Min, Y. et al. Accelerated discovery of CO2 electrocatalysts using active machine learning.
Nature
,
2020
, 581, 178–183. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2242-8
(纯计算)阿德莱德大学乔世璋团队J. Am. Chem. Soc.: 氧化铜基催化剂上CO2RR的多碳选择性
(纯计算)清华大学肖海团队J. Am. Chem. Soc.: 电势依赖的泡利排斥诱导CO2RR中的反转区
(纯计算)复旦大学徐昕团队Nat. Commun.: 铜表面电催化CO2RR中的分子-表面相互作用
(纯计算)丹麦科技大学ACS Catal.: 过渡金属硫族化物边缘催化CO2RR
(纯计算)韩国蔚山科学技术院J. Mater. Chem. A: 单原子锚定在GaN表面催化CO2RR
