近日，我院李锋钰教授指导研究生在二氧化碳电还原领域取得新进展，相关成果以“Enhanced CO2 Reduction on a Cu-Decorated Single-Atom Catalyst via an Inverse Sandwich M-Graphene-Cu Structure”为题发表在国际知名学术期刊The Journal of Physical Chemistry Letters上。（论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.4c01858）该论文由我校李锋钰教授、波多黎各大学陈中方教授、香港城市大学曾晓成教授研究团队以内蒙古大学为第一单位联合发表，并被编辑选为外封面论文。
图1：论文首页
图2：论文封面
随着全球CO₂排放量的不断增加，环境问题日益严峻。将CO₂转化为高附加值的碳基化学品和燃料，是实现清洁能源目标和环境修复的重要途径。其中，电化学CO₂还原反应（CO2RR）因其高效、可持续的特点备受关注。然而，传统催化剂在活性和选择性方面存在不足，限制了CO2RR的大规模应用。为了克服这一难题，研究者们开发了多种新型催化剂，其中单原子催化剂（SACs）和双原子催化剂（DACs）因其独特的结构和性能优势成为研究热点。
针对SACs结构简单、活性位点间缺乏协同作用，以及近期该课题组设计MM'⊥gra DACs（ACS Catal. 2023, 13(14), 9616–9628）实验合成难度大的问题，该研究团队创造性地设计了M1@gra+Cuslab系统（图3），该系统通过将一个含有空位的石墨烯层与Cu(111) 衬底相结合，形成了一种独特的反三明治结构。这种结构不仅保留了SACs和DACs的高活性，还显著提高了其实验可行性。
图3：修饰单原子催化剂M1@gra+Cuslab俯视图和侧视图。Cu：蓝色；C：棕色；M：黄色。
该工作中，通过DFT计算对27种不同过渡金属 (M = Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au) 的M1@gra+Cuslab系统进行了全面评估，最终筛选出五种表现最优的催化剂 (M = Co, Ni, Cu, Rh, Pd)。这五种M1@gra+Cuslab催化剂在稳定性、选择性和活性方面均表现出色，其CO2RR性能显著优于free-standing单原子催化剂 (M1@gra) 和反三明治结构的双原子催化剂 (CuM⊥gra)，即Cu、Co、Ni、Cu、Rh、Pd在M1@gra+Cuslab上的UL值均低于M1@gra (CuM⊥gra)。进一步的研究发现，M1@gra+Cuslab系统之所以能够展现出如此优异的性能，主要得益于其独特的电子结构和电荷分布。与传统的反三明治双原子催化剂 (CuM⊥gra) 相比，M1@gra+Cuslab系统中的石墨烯层从Cu基板中获得了更多的电子，这些电子通过石墨烯层传递到金属原子上，增强了金属原子对CO2的吸附和活化能力，促进了金属d轨道与CO2分子轨道的有效杂化，从而提升了催化活性 (图4以M=Cu为例)。
图4：(a) Cu1@gra+Cuslab吸附CO2的投影态密度(PDOS) (b) CuCu⊥gra吸附CO2的PDOS。(c) M1@gra+Cuslab(蓝色条)和CuM⊥gra(黄色条)中石墨烯结构的电荷分布。
这一研究成果不仅为开发高效、低成本的CO2RR催化剂提供了新的策略，还展示了反向三明治结构在电化学催化中的巨大潜力。未来，研究团队将继续深入探索该催化剂系统的机理和应用潜力，力求实现更广泛的实际应用。
我院李锋钰教授为该论文的通讯作者，波多黎各大学陈中方教授和香港城市大学曾晓成教授为该论文的共同通讯作者，内蒙古大学物理科学与技术学院2022级硕士生苏静楠和2020级硕士生余林柯（目前在南方科技大学攻读博士学位）分别为论文的第一作者和共同第一作者，2020级博士生韩冰（目前任职于鄂尔多斯应用技术学院）。该研究得到了国家自然科学基金地区项目、内蒙古自治区草原英才项目、内蒙古大学青年科技人才培育项目等项目资助。
主要作者简介：
李锋钰，教授，博士生导师。研究领域为低维纳米材料的模拟与设计。已在PRB、NJP、ACS Catal.、JPCL、JMCA等国际期刊发表论文80余篇，总引用3900余次，H-index为31。多个工作被选为封面论文和被知名科研媒介推送。担任Adv Powder Mater特聘编委和J Mater Inf青年编委，担任JMI、Nanomaterials和Catalysts特刊客座编辑，担任Nat. Commun.、Adv. Sci.、Small、JMCA等国际期刊独立审稿人。先后入选JMCA优秀审稿人、内蒙古自治区草原英才、JMI青编贡献奖和APM优秀宣传奖等。
苏静楠，2022级物理学在读硕士研究生，主要从事新颖纳米催化剂的设计与机理研究。以第一作者在国际著名期刊J. Phys. Chem. Lett.发表学术论文1篇。
余林珂，2020级物理学已毕业硕士研究生，目前在南方科技大学攻读博士学位，在ACS Catal.、Adv. Powder Mater.、J. Phys. Chem. Lett.、Sci. China Mater.等以第一作者及共同第一作者发表SCI论文6篇。
