單原子金屬-氮-石墨烯（M-N-Gra）催化劑是用于電催化CO
2還原反應（CO
2RR）的有前途的材料。然而，由于建模固/液界面和電化學環(huán)境的復雜性，極大地阻礙了對此類系統(tǒng)的理論探索。在當前的工作中，我們用明確的水模型研究了CO2RR中的兩個關鍵過程，即在Fe-N
4中心吸附和解吸CO
2和CO。我們使用了與自由能采樣方法和電極電勢分析相關的從頭計算分子動力學模擬來評估電化學環(huán)境下的能量，并發(fā)現(xiàn)與真空中的相同過程相比，水溶液存在顯著差異。徹底討論了施加的電極電勢對Fe-N-Gra上的吸附結構、電荷轉移和CO
2和CO的自由能的影響。這些發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)實條件下對CO
2RR過程的基本理解提供了見識，并促進了未來高效M-N-Gra基CO
2RR催化劑的設計。
Figure 1. 建模系統(tǒng)的結構：包括Fe-N-Gra催化劑、明顯的溶出物和被吸附物。（a）Fe-N-Gra表面的俯視圖；（b）以純水系統(tǒng)中吸附的CO為例，整個系統(tǒng)的側視圖。
Figure 2. （a）在真空、水、K-sol系統(tǒng)中，CO
2吸附到Fe中心期間，通過IS和FS的AIMD模擬獲得的結構快照。（b）在這三個系統(tǒng)中吸附CO
2的自由能分布。（c）CO
2的電荷和（d）系統(tǒng)的電極電勢U
Figure 3. （a）在真空、水、K-sol、HCO
3-sol系統(tǒng)中，CO吸附到Fe中心期間，通過AIMD模擬IS和FS的結構快照。（b）在不同類型系統(tǒng)下，用于CO吸附的自由能分布圖。（c）CO的電荷和（d）系統(tǒng)的電極電勢U。
Figure 4. （a）CO
2中的O-CO夾角和（b）CO中C-O的鍵長與其在不同電勢系統(tǒng)下帶電電荷的關系。（b）中插圖：在Fe-N-Gra上進行恒定電勢校正后CO的吸附自由能及其相應的電荷。
相關研究成果于2021年由上海科技大學Bo Yang課題組和中國科學院Jian Liu課題組，發(fā)表在Journal of Energy Chemistry（https://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.04.016）上。原文：Insights into the adsorption/desorption of CO
2 and CO on single-at Fe-nitrogen-graphene catalyst under electrochemical environment。
轉自《石墨烯雜志》公眾號
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