基于第五主族二维结构的二氧化碳电化学还原催化剂的理论研究

The conversion of carbon dioxide (CO2) to organic fuel molecules or other industrial raw materials by electrochemical reduction is an important approach to reduce the CO2 content in the atmosphere and establish a new carbon resource balance system. However, the commonly used catalysts for CO2 electrochemical reduction suffer from many problems, such as low catalytic efficiency, high overpotential, and low selectivity. Recently, the application of the two-dimensional (2D) structures of group-VA elements in the field of CO2 electrocatalytic conversion has been attracting a lot of attention. In this propose, density functional theory computations will be performed to investigate the catalytic mechanism of the 2D structures of group-VA elements on the electrochemical reduction of CO2. The intrinsic relationship between the geometry and electronic structures and catalytic performance of 2D structures will be established, and the strategies based on surface/interface modifications and external fields for modulating the catalytic activity and selectivity will be also explored. Several CO2 electrochemical reduction catalysts with high activity, high selectivity, and high stability could be screened out based on the above studies,which would provide a feasible new idea for promoting the effective recovery and conversion of CO2.

通过电化学还原将二氧化碳(CO2)转化为有机燃料分子或其它工业原料,是减少大气中CO2含量、建立新的碳资源平衡体系的一个重要手段。但目前常用的CO2电化学还原催化剂仍然存在着催化效率低、过电势高、选择性低等一系列问题。最近，由第五主族元素形成的二维结构在CO2电催化转化领域中的应用开始得到关注。本项目拟通过密度泛函理论计算，系统探索第五主族二维结构对CO2电化学还原的催化机理，建立起二维结构的几何与电子结构和催化性能之间的内在联系，探索基于表界面修饰和施加外场等手段的催化活性和选择性调控策略。在上述研究的基础上，筛选出兼具高催化活性、高选择性和高稳定性的CO2电化学还原催化剂，为推动CO2的有效回收转化利用提供可行的新思路。

化石能源的大量消耗也使得大气中二氧化碳(CO2)的含量大大增加，造成严重的“温室效应”并导致全球气候变暖。过电化学反应将CO2转化为燃料分子或其它高附加值化学品，不仅可以实现CO2的有效回收利用、建立新的碳资源平衡体系，对于新能源的高效转化利用也具有重要意义。因此，开发具有高催化活性、高选择性和高稳定性的廉价催化剂是CO2电化学还原领域亟需解决的关键科学问题。近年来，以Bi、Sb为代表的第五主族元素所构成的二维结构因为具有独特的几何结构和优异的电子学性质，在CO2电化学还原领域的应用开始得到关注。但这类催化剂活性与选择性仍然有待提高，且几何结构、电子结构与催化活性之间的内在联系仍不清楚、. 在本项目中，我们通过发展结合密度泛函理论计算、分子动力学模拟、微观动力学模拟在内的一套模拟电化学反应体系的方法，系统研究了第五二维主族结构对CO2电化学还原的催化活性与反应机理，并在新型二维CO2电化学还原催化剂的设计方面取得了较为重要的进展。例如，我们以二维Bi和二维Sb材料为模型催化剂，系统研究了第五主族二维结构的几何结构、电子结构与催化活性之间的关系，揭示了存在于第五主族二维结构中的催化活性厚度依赖关系，并率先揭示了自旋轨道耦合效应对于催化活性的影响。系统研究了不同类型的结构缺陷对于催化活性的影响，为优化催化剂的活性提供了可行的思路。我们还通过恒电势理论计算揭示了二维Bi材料对CO2电化学还原具有高甲酸选择性的根源。在此基础上设计出二维PdBi2、二维过渡金属硼化物等对CO2电化学还原具有高催化活性、高选择性的催化剂。. 我们的研究结果增进了对于第五主族二维材料催化性能的认识，提供了系统调控二维材料催化活性的策略，具有丰富的理论意义。此外，我们的研究结果还可以给实.验工作者提供很好的借鉴，用于指导高效催化剂的合成。