哈爾濱師范大學J. Mater. Chem. A:超配位Cu2B2單層材料高效電催化CO還原生成乙醇

【引言】

在溫和的條件下電催化CO還原生產液體燃料（如乙醇）被認為是解決能源危機和環境危機的一種有前途的策略，但同時面臨所用催化劑活性低和反應選擇性差等挑戰，因而極大限制了其大規模應用。由于銅基催化劑及含硼材料普遍具有良好的電催化碳還原活性，一直備受研究者的廣泛關注。

【成果簡介】

近日，哈爾濱師范大學化學化工學院趙景祥教授（通訊作者）課題組的賈晶晶（文章一作）、聯合南開大學材料學院周震教授（共同通訊作者）及中國民航大學張海軍教授（共同通訊作者）報道了一種新穎的超配位二維Cu₂B₂催化劑，在此催化劑的作用下CO還原產生乙醇。結果表明，設計的Cu₂B₂材料不僅具有良好的熱力學穩定性、動力學穩定性及電化學環境穩定性，而且還具有優異的金屬特性。 特別是，二維Cu₂B₂單層可以通過“carbene”機理有效催化CO還原為C₂H₅OH，反應過程中limiting potential僅為-0.59 V，同時C-C間耦合能壘為僅為0.41 eV。該研究成果以題為“Cu₂B₂ Monolayer with Planar Hypercoordinate Motifs: an Efficient Catalyst for CO Electroreduction to Ethanol”發表在J. Mater. Chem. A期刊,并入選為同期Hot Papers。

【圖文解讀】

圖1. Cu₂B₂單層結構

(a) 二維Cu₂B₂材料俯視圖; (b) 二維Cu₂B₂材料側視圖

圖2、二維Cu₂B₂材料離子鍵的形成

（a) 二維Cu₂B₂材料的ELF的等值面；(b) 垂直于二維Cu₂B₂材料方向切片的ELF圖。

圖3、二維Cu₂B₂材料的電子特性

HSE06函數計算的二維Cu₂B₂材料能帶結構和態密度

圖4、一氧化碳活化

(a) 優化的吸附結構; (b) 局部態密度; (c)Cu₂B₂單層上CO分子的差電荷密度

圖5、CO電還原為乙醇的吉布斯自由能變化

【小結】

綜上所述，我們基于第一性原理計算設計了一種新穎的具有平面高配位結構的二維Cu₂B₂單層，用于將CO電催化還原為CH₃CH₂OH產物。Cu₂B₂單層的CO和B位之間的“接受-供體”過程導致CO分子充分活化，并通過“carbene”機理促使隨后的CO還原成C₂H₅OH，其極限電位僅為-0.59V，同時該材料具有良好的穩定性。總之，該工作不僅極大拓寬了二維超配位材料應用領域，而且為一氧化碳轉化為C₂化學品提供了新思路。

文獻鏈接：Cu₂B₂ Monolayer with Planar Hypercoordinate Motifs: an Efficient Catalyst for CO Electroreduction to Ethanol (J. Mater. Chem. A, 2020, https://doi.org/10.1039/D0TA02471F)