將二氧化碳(CO₂)電化學(xué)轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的碳基產(chǎn)品被認(rèn)為是解決溫室效應(yīng)和全球能源問(wèn)題的一種有吸引力的方法。雖然二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳(CO)已達(dá)到很高水平，但由于二氧化碳還原反應(yīng)(CO₂RR)的動(dòng)力學(xué)限制，生產(chǎn)多電子還原產(chǎn)物仍然很困難。因此，后續(xù)的CO電還原(COER)對(duì)于深度還原CO₂十分重要，因此開(kāi)發(fā)高效的COER電催化劑是非常必要的。目前，銅基納米材料仍然是最有前途的COER電催化劑之一，可用于生產(chǎn)各種碳?xì)浠衔锖秃趸衔?。然而，它們的商業(yè)應(yīng)用受到耐久性差、高過(guò)電位和低法拉第效率的阻礙。因此，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)高效、高選擇性的COER電催化劑仍是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。

本文通過(guò)密度泛函理論(DFT)計(jì)算，探討了一系列固定在N摻雜γ-石墨炔上的過(guò)渡金屬原子作為COER電催化劑的潛力。這些單原子催化劑的最終產(chǎn)物選擇性取決于金屬原子在元素周期表中的位置，每個(gè)周期前和中間的金屬對(duì)CH₄具有高選擇性，而后面的金屬產(chǎn)生CH₃OH。其中，在所有考慮的金屬原子中Mn@N-GY和Ni@N-GY分別對(duì)生成CH₄和CH₃OH具有優(yōu)異的COER催化性能。

Figure1 (a) The considered three sites for TM anchored on N-GY (b) Binding energies of TM anchored on N-GY. (c) Energy profile of AIMD simulation on Ag@N-GY at 500 K.?

Figure2 (a)The computed adsorption energy of CO on TM@N-GY.(b) The computed charge density differenceof CO adsorption on Mn@N-GY. (c) The partial density of states (PDOSs) between CO and Mn before and after CO adsorption. (d) The correlation between integrated crystal orbital Hamilton population (ICOHP) and the adsorption energy (ΔE_ads) of CO.?

Figure3 (a) Gibbs free energy profiles for CO reduction to CH₄on Mn@N-GY. (b) Gibbs free energy profiles for CO reduction to CH₃OH on Ni@N-GY.(c)Computed theoretical limiting potential (U_L) on twenty catalysts ofTM@N-GY.?

Figure 4 (a) Volcano plots between ?E_CHO* and UL. (b) The RMSE and the R²score on the test set of machine learning models with different algorithms for ?E_CHO*. (c) Comparison between DFT-calculated and ML-predicted ?E_CHO*. Green and pink points correspond to the training data and test data, respectively. (d) Pie chart for feature importance analysis in the ML model.

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Figure5 (a) Computed energies of the Mn@N-GY andcorresponding reaction intermediates as a function of the applied electrode potential (SHE). (b) Free energy changes of the reaction steps of Mn@N-GY as a function of pH. (c) pH-dependent and potential-dependent contour plot of adsorption energies of*CO and (d) *CHO on Mn@N-GY.

趙景祥，哈爾濱師范大學(xué)化工學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，黑龍江省杰出青年，龍江青年學(xué)者；主要從事低維納米材料電催化性能的理論研究工作，在J. Am. Soc. Chem., Matter, Chem., ACS Catal.等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文80余篇，ESI高被引論文6篇；獲黑龍江省科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)一項(xiàng)；現(xiàn)為美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員；黑龍江省化學(xué)理事會(huì)理事。

鄭偉濤，吉林大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事超硬薄膜材料、功能薄膜材料、石墨烯等碳納米材料、儲(chǔ)能電極材料及材料計(jì)算與模擬等研究，主持國(guó)家863、國(guó)家基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、科技部重大儀器專項(xiàng)、“高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃”等，獲得吉林省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（2008年）、吉林省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2項(xiàng)（2016年，2020年）（均為第一完成人），獲得中國(guó)發(fā)明專利40余項(xiàng)，發(fā)表SCI收錄論文600余篇，H值71。著有《薄膜材料與薄膜技術(shù)》等。

崔小強(qiáng)，吉林大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)槟茉创呋牧希瑥脑映叨壬祥_(kāi)展高效催化劑的設(shè)計(jì)和制備研究。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表SCI論文160余篇，其中ESI高被引論文7篇，授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利32件；主持科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)課題、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等；獲教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才”計(jì)劃支持、吉林省“長(zhǎng)白山學(xué)者”、長(zhǎng)春市第六、七批有突出貢獻(xiàn)專家，吉林省第七批拔尖創(chuàng)新人才第三層次。

崔小強(qiáng)課題組主頁(yè)：https://www.x-mol.com/groups/Cui_Xiaoqiang

Jiao D, Zhang D, Wang D, et al. Applying machine-learning screening of single transition metal atoms anchored on N-doped γ-graphyne for carbon monoxide electroreduction toward C1 products. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5773-0.