在线解读！CO2RR描述符到底值不值得你学？

截至目前，用于CO₂RR的描述符层出不穷，由于篇幅原因，无法逐一枚举。此前，我们已经连续推出了两期的有关CO₂RR的描述符，不要心急，好戏还在后头。我们接着向下看。

1.JEC: *CO+*CO共结合强度—嵌入二维C₂N的双原子活性位高效二氧化碳电还原：计算研究

双原子催化剂(DACS)，已成为促进电催化CO₂还原反应(CO₂RR)的单原子催化剂的增强型平台。

在此，来自上海工程技术大学的 Wei An等人，采用密度泛函理论，研究了7种C₂N负载的同核和异核DACS(记为M₂@C₂N)的CO₂RR性能。研究结果表明，双金属原子N₂M₂N₂活性位点与C₂N基质对O=C=O键的活化，具有显著的协同作用。双原子M₂位点，能够以低限制电位(U_L)，驱动CO₂RR超越C₁产物。具体来说，在FeM@C₂N (M = Fe, Co, Ni, Cu)上生成C₂H₄，而在CuM@C₂N (M = Co, Ni, Cu)上生成CH₄。

此外，*CO+*CO共结合强度，可以作为制造C₂产品的CO₂RR活性的描述符，因此，适度的结合导致了最低的U_L。C亲合力对C-C键偶联和C₂H₄生成影响最大，而C亲和和O亲和对CH₄形成的影响最大。该研究结果，为高效CO₂RR的DACS的合理设计，提供了理论依据。

参考文献：

Haimei Liu, Qingliang Huang, Wei An, Yuanqiang Wang, Yong Men, Shuang Liu, Dual-atom active sites embedded in two-dimensional C₂N for efficient CO₂ electroreduction: A computational study, Journal of Energy Chemistry, 61, 2021, 207-516. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2021.02.007.

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095495621000905#!

2.ChemSusChem：MXenes的费米能级变化—含O端MXenes的缺陷增强CO₂还原催化性能

电化学二氧化碳还原反应(CO₂RR)，是一种很有前景的可持续生产燃料和化学原料的方法。最近的研究表明，二维金属碳化物和氮化物(MXenes)，可以成为很有前途的CO₂RR电催化剂，这是由于-C和-H与中间产物的交替配位，可以解耦合过渡金属催化剂上的比例关系。然而，通过进一步调整MXenes的电子和表面结构，仍然有可能达到更高的周转数和选择性。然而，MXenes电化学CO₂RR的缺陷工程迄今尚未进行研究。

在此，来自新加坡科学技术研究院的Zhi Wei Seh & 北京航空航天大学的Qianfan Zhang等人，利用第一性原理模拟系统地研究了，具有过渡金属和碳/氮空位的MXenes上的CO₂RR。研究发现，-C配位中间体以片段的形式出现(如*COOH，*CHO)，而-H配位中间体形成一个完整的分子(如*HCOOH，*H₂CO)。有趣的是，当大多数MXenes上存在过渡金属空位时，片段型中间体结合更强，而分子型中间体基本不受影响，允许CO₂RR过电位被调节。

最有希望的缺陷MXene是含有Hf空位的Hf₂NO₂，具有0.45 V的低过电势。更重要的是，通过电子结构分析可以观察到，在存在空位时，MXenes的费米能级发生了显著的变化，这表明费米能级的变化，可以作为一种理想的描述符，来快速预测缺陷MXenes的催化性能。这种评价策略，适用于MXenes及以外其他的催化剂，这可以增强高通量筛选工作，加速催化剂的发现。

参考文献：

H. Chen, A. D. Handoko, T. Wang, J. Qu, J. Xiao, X. Liu, D. Legut, Z. Wei Seh, Q. Zhang, ChemSusChem 2020, 13, 5690.

原文链接：

https://chemistry europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cssc.202001624?saml_referrer=

3.Applied Catalysis B：Environmental：CO和OH的结合能—电力到燃料：电化学二氧化碳还原中C₁选择性描述符

二氧化碳(CO₂RR)在过渡金属上的电化学还原，遵循复杂的反应网络。此文中，来自美国国家加速器的Frank Abild-Pedersen等人，结合实验文献的观察结果和能量学的理论分析，解释了不是所有的CO₂还原中间产物，都是通过直接的质子化步骤形成的。研究者仅用CO和OH的结合能作为描述符，导出了纯金属表面上的一氧化碳(CO)和甲酸盐的双电子产物的选择性图。

对于具有CO生成选择性的纯金属，CO结合能的变化，足以将图进一步细分为主要形成H₂、CO和更多还原产物域。该分析，使实验观察到的CO₂RR，在纯金属体系中的产物分布合理化。总的来说，研究者强调了对CO₂R的额外材料筛选描述符的需要，以及从析氢反应的基本步骤，考虑了竞争的重要性。

参考文献：

Michael T. Tang, Hongjie Peng, Philomena Schlexer Lamoureux, Michal Bajdich, Frank Abild-Pedersen, From electricity to fuels: Descriptors for C₁ selectivity in electrochemical CO₂ reduction, Applied Catalysis B: Environmental. 2020, 279, 119384 https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119384.

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337320307992#!

4.ChemSusChem：COOH的吸附能—促进CO₂还原反应的金基双金属电催化剂的合理设计与有效控制

电化学CO₂还原反应(CO₂RR)，是将CO₂转化为增值产品的有效策略。众多研究表明，Au是电化学还原CO₂为CO的有效催化剂，而Pd的引入，可以调节CO₂RR的性质，因为它与CO有很强的亲和力。在此，来自中国石油大学的Xiaoqing Lu & 香港城市大学Chi-Man Lawrence Wu的等人，首次采用密度泛函理论，研究了不同金属比例的Au - Pd双金属电催化剂的CO₂RR机理。

研究结果表明，在Pd衬底上的Au单层和Au(111)上的单个Pd原子，相对析氢反应(HER)来说，对CO₂RR具有较好的选择性。在此基础上，研究者设计了不同的Au(111)单原子催化剂和带有顶部Au单层的核壳模型，研究了它们的CO₂RR性能。结果表明，与纯Au相比，Au单层下的Pt、Cu和Rh底物能，提高CO生成的活性和选择性，极限电位分别从-0.74降至-0.63、-0.69和-0.71 V。

在Au(111)中嵌入单一Pd，可以调整吸附强度，在−0.61 V的低极限电位下，提供了一个接收CO并进一步将其还原为CH₃OH和CH₄的有效位点，同时，也避免了由于表面Pd比例过高，导致CO吸附过度增强，而引起的催化剂中毒。此外，研究者在建立标度关系时发现，与普通CO吸附相比，COOH的吸附能是更好的CO₂RR反应描述符，其可以避免CO中间物理吸附所引起的拟合误差。

参考文献：

Guo, C., Zhang, T., Lu, X. and Wu, C.-M.L. (2021), Rational Design and Effective Control of Gold-Based Bimetallic Electrocatalyst for Boosting CO₂ Reduction Reaction: A First-Principles Study. ChemSusChem. https://doi.org/10.1002/cssc.202100785

原文链接：

https://chemistryeurope.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cssc.202100785

5.Nature Communications：中间体与M-N_x基团的结合能—理解金属-氮掺杂碳催化剂电化学还原CO₂的活性和选择性

利用可再生电力，将二氧化碳直接电化学还原为燃料和化学品，引起了社会各界的广泛关注，一部分是由于与反应性和选择性相关的基本挑战，另一部分是由于它对工业CO₂消耗气体扩散正极的重要性。

在此，来自德国德累斯顿工业大学的Guang-Ping Hao & 丹麦哥本哈根大学的Jan Rossmeisl &德国柏林工业大学的Peter Strasser 等人，介绍了含金属和氮掺杂多孔碳的催化活性M-N_x基团(M = Mn, Fe, CO, Ni, Cu)的CO₂电催化趋势的研究进展。研究者分析了Fe-N-C和Ni-N-C催化剂的催化活性、CO转化率以及CO法拉第效率，发现Fe-N-C和Ni-N-C催化剂，可以与Au-和Ag-基催化剂相匹敌。研究者利用密度泛函理论，建立了催化活性M-N_x基团的模型，并将理论结合能与实验结果联系起来，给出了反应选择性的描述符。

该研究从原子尺度上，给出了对潜在依赖CO和碳氢化合物的选择性的理解，并为选择性碳基CO₂还原催化剂的合理设计，提供了预测指导。

参考文献：

Ju, W., Bagger, A., Hao, GP. et al. Understanding activity and selectivity of metal-nitrogen-doped carbon catalysts for electrochemical reduction of CO₂ . Nat Commun 8, 944 (2017). https://doi.org/10.1038/s41467-017-01035-z

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-017-01035-z/briefing/signup/#citeas

END

往期推荐

感谢与热爱计算的你相遇↓↓↓