成都大學(xué)張紅平和王清遠(yuǎn)課題組報道了Cu-，F(xiàn)e-和Ni-單原子摻雜的二維金剛石（diamane）材料電催化CO2還原的第一性原理研究。研究對Cu-，F(xiàn)e-和Ni-單原子在二維金剛石表面的摻雜方式、穩(wěn)定性進行了評估，并探究了CO2在diamane表面的吸附及電催化還原過程。DFT計算表明Cu-單原子在diamane的hollow位摻雜后該材料表現(xiàn)出良好的CO2電催化還原能力。
圖1 Cu-單原子摻雜降低diamane表面CO2電催化反應(yīng)的過電勢，助力CO2-C2H4轉(zhuǎn)化 質(zhì)子傳導(dǎo)和固有活性的瓶頸很大程度制約了傳統(tǒng)催化劑電催化CO2還原的效率。新型納米材料，尤其是二維材料由于良好的質(zhì)子傳導(dǎo)能力，高化學(xué)活性及超高的比表面積等優(yōu)勢在CO2電催化還原領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的應(yīng)用前景。在眾多的二維納米材料中，二維金剛石（diamane）兼具二維納米材料的特性和金剛石材料良好的熱電、壓電及光催化等性能，備受研究者關(guān)注。然而，關(guān)于該材料的電催化潛力研究還比較缺乏。 成都大學(xué)張紅平和王清遠(yuǎn)課題組采用第一性原理方法研究了Cu-，F(xiàn)e-和Ni-單原子摻雜的二維金剛石（diamane）材料電催化CO2還原的行為?？疾炝藛卧訐诫s的位點，單原子種類等對CO2的電催化過程的影響。結(jié)果表明，Ni-原子摻雜不利于diamane表面CO2的電催化還原，Cu-單原子特定方式的摻雜（hollow位摻雜）將有助于提升diamane表面CO2的電催化過程。如圖1所示，Cu-單原子摻雜可降低diamane表面CO2電催化過程的過電勢，助力CO2向C2H4等產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化。 單原子催化劑因其優(yōu)異的化學(xué)活性和質(zhì)子傳導(dǎo)能力在電催化領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。結(jié)合二維納米材料的特性和金屬單原子的優(yōu)勢在微觀尺度上構(gòu)建納米復(fù)合體系是電催化劑材料研究的重要方向。受到樣品制備穩(wěn)定性及實驗表征等諸多方面的限制對該類材料的實驗研究帶來的挑戰(zhàn)。第一性原理方法則對該領(lǐng)域的研究起到了很好的補充作用，它將對理解和設(shè)計納米復(fù)合電催化劑起到重要的作用。 圖2 Cu-，F(xiàn)e-和Ni-摻雜diamane的CRR和HER選擇性(a), Cu-hollow diamane 表面CO的轉(zhuǎn)化反應(yīng)過程(b)，Cu-hollow diamane表面從CO形成C2H4的反應(yīng)自由能歷程。 本文，針對diamane材料電催化性能鮮有報道的問題，通過研究Cu-，F(xiàn)e-和Ni-單原子摻雜diamane表面CO2的吸附及轉(zhuǎn)化過程（如圖2所示），提出了Cu-單原子摻雜diamane材料的CO2電催化還原的可能性，為開發(fā)新型的diamane基電催化材料提供參考。 論文信息 Electroreduction of CO2 on Cu, Fe, or Ni-doped Diamane Sheets: A DFT Study Hongping Zhang, Run Zhang, Shuchun Hu, Kun Yang, Chenghua Sun, Qingyuan Wang, Youhong Tang Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202303995
