近日，我校物理科学与技术学院赵忠龙副教授在二氧化碳电还原领域取得新进展，相关成果在国际能源权威期刊Advanced Energy Materials（影响因子29.698）上发表，题目为“Dual-Site Functionalization on Supported Metal Monolayer Electrocatalysts for Selective CO2 Reduction”（论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202203138）。赵忠龙副教授为该论文的第一作者和通讯作者，加州州立大学北岭分校Gang Lu教授为该论文的合作通讯作者，内蒙古大学为该论文第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金、内蒙古自然科学基金、内蒙古自治区“草原英才”基金、内蒙古自治区本级事业单位引进人才基金等项目的资助。
全球气候变化已经成为人类社会发展所面临的巨大挑战之一。在“碳中和”的国际大背景下，设计具有高活性和选择性的二氧化碳电还原催化剂具有重要的现实意义和应用前景。当前，Au、Ag、Cu、Pd等贵金属及其相关材料仍然是人们探索二氧化碳还原电催化剂的热点。然而，贵金属催化剂具有催化活性低、产物选择性差以及析氢效率高等问题。
在前期工作中（Chem. Sci., 2022, 13, 3880），赵忠龙副教授和Gang Lu教授合作，利用第一性原理计算模拟，首次提出了双金属单层电催化剂表面的“双位泛函”机制，能够有效地抑制析氢副反应并提升二氧化碳电还原为甲酸产物的活性和选择性。然而，实验合成具有超薄壳层的双金属电极仍然是一个挑战。鉴于此，本工作利用第一性原理计算模拟方法，首次提出过渡金属碳化物和氮化物可以作为贵金属单层的衬底，在保留“双位泛函”的基础上，能够显著提升催化剂的电化学稳定性。
图：ML/TMX (X = C, N)催化剂表面的“双位泛函”
计算表明，碳化物和氮化物支撑贵金属单层以及单层团簇催化剂中存在氢-衬底反键相互作用，能够打破吸附氢和二氧化碳还原中间物之间的能量线性关系。此外，通过理论模拟预测了一系列具有较高甲酸、甲醇和乙烯等碳氢化合物产物选择性的新型电催化剂，为提升电化学二氧化碳还原性能提供了新思路。
图：二氧化碳还原高阶产物自由能相图
图：TMC/TMN支撑贵金属单层催化剂的拓展
通讯作者简介：赵忠龙，内蒙古大学物理科学与技术学院副教授，硕士生导师。2015年毕业于吉林大学超硬材料国家重点实验室，获凝聚态物理博士学位；2015-2019年美国加州州立大学北岭分校博士后；2019年加入内蒙古大学物理科学与技术学院。入选内蒙古自治区第十批“草原英才”。主要从事纳米能源催化材料的第一性原理模拟工作，以第一作者、共同第一作者或通讯作者在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Sci.、Adv. Energy Mater.、Nano Lett.、ACS Catal.、Phys. Rev. B等国际著名刊物发表研究论文20余篇，论文累计引用2500余次。主持国家自然科学基金、内蒙古自然科学基金等项目。
