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上海科技大學(xué)Bo Yang課題組和中國(guó)科學(xué)院Jian Liu課題組--電化學(xué)環(huán)境下單原子鐵-氮-石墨烯催化劑對(duì)CO2和CO吸附/解吸的見解
       單原子金屬-氮-石墨烯(M-N-Gra)催化劑是用于電催化CO2還原反應(yīng)(CO2RR)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(duì)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-N4中心吸附和解吸CO2和CO。我們使用了與自由能采樣方法和電極電勢(shì)分析相關(guān)的從頭計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)模擬來評(píng)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(shì)對(duì)Fe-N-Gra上的吸附結(jié)構(gòu)、電荷轉(zhuǎn)移和CO2和CO的自由能的影響。這些發(fā)現(xiàn)為現(xiàn)實(shí)條件下對(duì)CO2RR過程的基本理解提供了見識(shí),并促進(jìn)了未來高效M-N-Gra基CO2RR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,CO2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CO2的自由能分布。(c)CO2的電荷和(d)系統(tǒng)的電極電勢(shì)U
 

Figure 3. (a)在真空、水、K-sol、HCO3-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(shì)U。
 
  
Figure 4. (a)CO2中的O-CO夾角和(b)CO中C-O的鍵長(zhǎng)與其在不同電勢(shì)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(shì)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(guó)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 CO2 and CO on single-at Fe-nitrogen-graphene catalyst under electrochemical environment。

轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)

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