通訊作者：
曾志遠（香港城市大學(xué)，材料科學(xué)與工程系）
李昊教授（日本東北大學(xué)，材料科學(xué)高等研究所，WPI-AIMR）
DOI：10.1039/D3TA04714H
將二氧化碳（CO2）電化學(xué)轉(zhuǎn)化為高價值化學(xué)品可以加快實現(xiàn)凈零碳目標(biāo)并緩解化石資源的枯竭。然而，尋找能與商用貴金屬催化劑相媲美的低成本替代催化劑仍是一個挑戰(zhàn)。理論研究可以加速高效催化劑的篩選，但在設(shè)計催化劑時，研究者常忽視催化劑在反應(yīng)條件下表面的實際狀態(tài)（即電化學(xué)引起的表面覆蓋），導(dǎo)致理論和實驗觀察之間存在顯著偏差。為解決這個問題，表面布拜圖（電勢-pH圖）可以作為描述催化劑工作條件下表面狀態(tài)的有效工具。
二維（2D）III-V和IV-IV二元化合物以其高比表面積和可調(diào)厚度，在CO2還原反應(yīng)中表現(xiàn)出巨大潛力。近日，香港城市大學(xué)曾志遠教授和日本東北大學(xué)李昊教授團隊通過電催化表面態(tài)分析和密度泛函理論（DFT）計算，對2D單層材料（AlN、GaN、InN、SiC、GeC和SnC）進行了篩選，確定了在操作條件下具有可用位點的五種2D材料，并研究了它們的催化活性。
其工作核心在于：1）在CO2還原電位下AlN、GaN、SiC、GeC和SnC表面保持原始狀態(tài)， InN結(jié)合H太強使得表面位點被H占據(jù)從而產(chǎn)生重構(gòu)表面；（圖1）該工作說明了在分析活性之前，通過表面布拜圖分析電化學(xué)表面態(tài)是很必要的。2）2D材料以橋式方式吸附OCHO?，兩個O?-表面鍵具有很負(fù)的ICOHP值暗示很強的結(jié)合能力，從而可以很好的穩(wěn)定OCHO中間體。相反，這些表面結(jié)合單齒吸附的*COOH和H?都比較弱。因此CO2反應(yīng)能量上更容易沿著OCHO?途徑產(chǎn)HCOOH。
特別地， AlN和SiC具有較低的決定速率的反應(yīng)自由能（?G_MAX:0.48和0.47 eV）從而展現(xiàn)優(yōu)越的產(chǎn)甲酸活性（圖2）。3）單層SiC對甲烷（CH4）的形成也呈現(xiàn)出優(yōu)秀的性能，其ΔG_MAX為0.41 eV，表現(xiàn)優(yōu)于多層SiC（圖3）。
圖1.（a）AlN、（b）SiC、（c）GaN、（d）GeC、（e）InN和（f）SnC的2D表面Pourbaix圖，中間是優(yōu)化的結(jié)構(gòu)圖。
圖2.?CO2還原的吉布斯自由能圖在（a）AlN、（b）GaN、（c）SiC、（d）GeC和（e）SnC上。紫線和橄欖線分別對應(yīng)產(chǎn)物CO和HCOOH。（f）和（g）分別是COOH*和OCHO*吸附在2D材料上電荷密度差圖。
圖3.（a）完全重疊模型。（b-c）完全交錯模型。（d-g）CO2還原在（d）單層SiC、（e）雙層SiC、（f）三層SiC和（g）四層SiC上的自由能圖?；疑⑶嗌臀鞴霞t線分別對應(yīng)產(chǎn)CO、HCOOH和CH4的最低能量途徑。
最后，我們計算2D材料的析氫反應(yīng)活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除SnC，其它材料都不利于H*的形成，因此可以有效抑制副產(chǎn)物(H2)的產(chǎn)生（圖4）。該研究為有效設(shè)計和篩選高活性和選擇性產(chǎn)物的2D催化劑提供了新的理論基礎(chǔ)。
圖4.（a）2D材料上HER的自由能圖。（b）HER活性與H結(jié)合能的關(guān)系圖。
Identifying hexagonal 2D planar electrocatalysts with strong OCHO* binding for selective CO2 reduction, 2023,?DOI：10.1039/D3TA04714H
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