低维材料中分散Cu纳米单元的稳定性和CO2催化特性

The environmental pollution caused by massive carbon dioxide emissions has become one of the main obstacles to the national health and economic development. It is now an urgent problem to develop novel CO2 conversion catalysts. According to current research, Cu electrode is reported to be the best CO2 reduction catalyst among the commonly used metal electrodes. However, bulk Cu electrode is also faced with a few problems like high overpotential, poor selectivity on products and low reaction efficiency due to scaling relationships. In order to develop new Cu-based CO2 reduction catalysts, we will focus on geometric optimization of low dimensional nanomaterials and study their catalytic performances. The introduction of Cu atom, Cu2 dimer, Cu nanowires and nano-flakes to one or two dimensional organic or inorganic systems may bring unique catalytic characteristic and break the limits of bulk Cu electrode. These well-distributed Cu nanostructures are easier to controll and may show novel physical and chemical effects including size effect, geometric effect, substrate effect, magnetic effect, curvature effect and spatial confinement effect, which may improve CO2 catalytic reduction. This project is of great significance to promote the study of environmental science in China.

大量的CO2排放所造成的环境污染已经成为影响我国国民身体健康和国家经济发展的主要障碍之一。研发新型CO2转化材料迫在眉睫。现有的研究表明在常用的金属电极中，Cu电极是电催化和热催化还原CO2的最佳材料。然而，体相铜电极材料仍存在一些缺陷: 过电势太大、产物选择性较差、并受到线性标度关系的限制。为了进一步研发含铜的新型CO2催化材料， 我们将开展含铜低维纳米材料的优化设计与催化CO2的性能研究，把Cu原子、Cu2-dimer、Cu纳米线、Cu 纳米片分散在不同维度、不同化学组成的一维和二维有机和无机体系中，以超越体相铜所受到的限制。与体相铜相比，分散Cu纳米结构体系有更多的调控自由度和新的物理化学效应：包括Cu在催化CO2时可能表现出的线度效应、几何效应、基底效应、磁性效应、曲率效应和空间受限效应。本项目的开展对推动我国环境科学的研究具有重要意义。

在基金委的资助下，我们应用密度泛函理论、过渡态理论和电化学模型，系统研究了石墨炔负载铜原子催化剂的二氧化碳还原的活性与调控、石墨烯纳米带边缘修饰的铜原子链与CO2还原多碳产物的选择性、负载于硼烯的铜原子链的二氧化碳催化还原活性、铜基拓扑量子材料Cu2Si的一维拓扑边界态催化CO2还原,以及拓展酞菁负载锰双金属催化剂的二氧化碳还原活性、二维MOF材料中的铁原子催化CO2还原、二维非金属材料B2S对CO2还原催化还原的活性。这些研究揭示了线度效应、几何效应、基底效应对CO2电催化还原的影响和调控。结果表明：铜原子的不同空间分布形态、与基底材料之间的协同作用能有效调控CO2催化转化的效率、反应能垒、产物的多样性和选择性、以及对副产物的抑制。这些理论研究不仅为CO2还原新型催化剂的实验合成提供了理论依据，而且为我国在2060年前实现“碳中和”的目标提供了重要的理论支撑。