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(yīng)（CO
2RR）的有前途的材料。然而，由于建模固/液界面和電化學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性，極大地阻礙了對此類系統(tǒng)的理論探索。在當(dāng)前的工作中，我們用明確的水模型研究了CO2RR中的兩個(gè)關(guān)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(guān)的從頭計(jì)算分子動力學(xué)模擬來評估電化學(xué)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(jié)構(gòu)、電荷轉(zhuǎn)移和CO
2和CO的自由能的影響。這些發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)實(shí)條件下對CO
2RR過程的基本理解提供了見識，并促進(jìn)了未來高效M-N-Gra基CO
2RR催化劑的設(shè)計(jì)。
Figure 1. 建模系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：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(gè)系統(tǒng)的側(cè)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(jié)構(gòu)快照。（b）在這三個(gè)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(jié)構(gòu)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(guān)系。（b）中插圖：在Fe-N-Gra上進(jìn)行恒定電勢校正后CO的吸附自由能及其相應(yīng)的電荷。
相關(guān)研究成果于2021年由上海科技大學(xué)Bo Yang課題組和中國科學(xué)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(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號
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