二维MX2纳米材料捕捉和分离CO2的理论研究

The ever-increasing CO2 emission causes global warming and frequent occurrence of natural disasters. Capture and conversion of CO2 is an important strategy to reduce the greenhouse effect. Searching advanced adsorbents for CO2 capture and separation is a key basis for the subsequent conversion and reutilization. Two dimensional transition metal dichalcogenides (MX2) nanomaterials exhibit excellent properties, such as high stability, large surface area, diverse compositions and structures, tunable band gaps, and strong localized polarity, which ensure them to be a new type of high-performance adsorbents. This project aims to use quantum mechanical method and molecular dynamic modeling to investigate the interactions, reaction mechanisms, and thermodynamic properties of CO2 (or its mixture with N2, CH4 and H2) adsorption on MX2 with different compositions and structures, in the absence or presence of extra charge and applied electric field; to reveal the structure-function relationship of CO2 capture and separation with MX2, and the influence of extra charge and the applied electric field. The outcomes of this project could provide theoretical guidelines for developing adsorbents with large adsorption capacity, high selectivity, high thermostability, and long cyclability to realize CO2 capture and controllable separation.

温室气体CO2过度排放导致全球气候变暖和自然灾害的频繁发生，捕捉和转化CO2是减少其温室效应的重要策略。探寻性能优越的吸附剂来捕捉和分离CO2是其转化和再利用的前提和关键。基于过渡金属硫族化合物的二维纳米材料MX2具有稳定性好、比表面积大、组成和结构多样、带隙较窄可调、局域极性强等优点，有望成为性能优越的CO2新型吸附剂。本项目拟采用量子力学和分子动力学模拟方法研究在有无外加电荷和电场的情况下，混合气体（CO2、N2、CH4和H2）在不同组成和结构的MX2上的作用模式、反应机理及热动力学性质，从原子分子水平揭示MX2吸附和分离CO2的能力与其组成、结构、外加电荷和电场之间的构效关系。本项目的研究成果将为研发吸附量大、选择性好、热稳定性高和可循环利用的CO2吸附剂，实现CO2的捕捉和可控分离提供理论指导。

自工业革命以来，排放到大气中的CO2急剧增加，导致了全球气候变暖等严重的环境问题。探寻性能优越的捕获和分离CO2的材料对于减少温室效应和缓解能源危机具有重要意义。本项目通过多种理论模拟方法研究了CO2在二维纳米材料上，尤其是在性能优异的过渡金属硫化物（MX2）上的捕获和分离，以及在外加电场/电荷和化学掺杂的作用下对CO2吸附和分离性能的影响。研究成果主要包括：（1）为了进一步降低施加在纳米材料上的外加电场的强度，对CO2在N/P掺杂MoS2上的捕获和分离进行了研究。结果表明N/P掺杂的MoS2能有效降低CO2吸附所需施加的外加电场强度。其中N掺杂的MoS2在有效吸附CO2时需要的电场强度为0.0020 au，仅为其它二维材料（如BN、C2N、C3N等）的3 ~ 64%。本研究证明了对吸附剂进行化学掺杂修饰能提高材料的局域极性，从而有效降低施加在材料上的电场强度。（2）尽管化学掺杂已广泛用于提高材料的反应活性和选择性，但掺杂密度与材料性能的关系尚不清楚。因此，我们研究了不同密度硼掺杂的MoS2、MoSe2和Janus MoSSe材料的电子结构性质，以及其对CO2捕获、分离和转化的的影响。研究结果表明无掺杂和单硼原子掺杂的MoS2、MoSe2和Janus MoSSe与CO2、H2和CH4的结合都较弱，不能有效捕获和分离CO2。相比之下，双硼原子掺杂的材料与CO2的作用较强，而与H2和CH4只能形成弱相互作用。因此，双硼原子掺杂的材料可以有效捕获和分离混合气体中的CO2。（3）我们还研究了在能带较窄的C2N和C3N等纳米材料上施加和去除外加电荷对CO2吸附的影响，结果表明此类纳米材料可以实现CO2的控制性吸附、脱附及气体分离。在对二维纳米材料吸附、活化和分离CO2研究的基础上，进一步探索了CO2在二维纳米材料上的转化机制，研究结果表明其可以有效地将CO2转化为有用的燃料和化工原料。在本项目的资助下共发表学术论文18篇（其中第一标注17篇），包括2篇J. Phys. Chem. C和4篇Appl. Surf. Sci.，培养了硕士研究生7名，博士研究生1名。