厦大曹昕睿团队: 密度泛函+机器学习探究高效双原子催化CO₂电还原

学术   2024-12-14 10:30   北京  

研究背景

过渡金属 (TM) 双原子催化剂 (DACs) 通过 d-d 轨道协同作用有望实现二氧化碳还原反应 (CO₂RR),但其有效性往往受到过渡金属位点上 *CO 和 *CHO 之间线性标度关系的限制,通常导致 CO 成为主要产物。

p–d 轨道耦合可以进一步调控双原子催化剂的电子性质和催化活性,这对于促进 CO₂ 还原反应 (CO₂RR) 具有重要意义。

文章简介

近日,厦门大学曹昕睿副教授课题组基于密度泛函理论 (DFT) 和机器学习 (ML) 相结合的方法探讨了具有 Si-TM 双原子活性位点的异核 DACs 在 CO₂RR 中的潜力,并评估了配位环境的影响。

该工作发现, Si-TM 双原子活性位点通过协同效应调控了关键反应中间体的吸附强度,促进了多电子 C 产物的生成。在 27 个 SiTMN 和 336 个 SiTMNAn(A = B、C,n 代表位置)DACs 中,3 个 SiTMN 和 6 个 SiTMNAn DACs 在 CO₂ 转化为 CH 或 CHOH 的反应中表现出高的催化活性和选择性。

  • 图 1. 研究框架示意图.
研究还阐明了 pz 能带分布 (εpz受 p–d 轨道耦合和配位环境的共同影响,同时,合适的 εpz 可促进反应中间体的最佳吸附,从而显著提升反应活性。该研究不仅提供了对硅基双原子催化剂在 CO₂ 还原反应中反应机制的全面理解,还揭示了 pd 耦合在调节 DACs 性能中的不可替代作用。
这些结果为进一步加速发现高效双原子催化剂提供了重要的理论指导和启示。该工作得到朱梓忠教授吴顺情教授指导和支持,相关成果以 “p–d Orbital coupling in silicon-based dual-atom catalysts for enhanced CO₂ reduction: insight into electron regulation of active center and coordination atoms”(《硅基双原子催化剂中 p–d 轨道耦合促进 CO₂ 电还原:活性中心与配位原子的电子调控》) 为题,发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry A 上,并入选为 hot article

论文信息

  • p–d Orbital coupling in silicon-based dual-atom catalysts for enhanced CO2 reduction: insight into electron regulation of active center and coordination atoms

    Meijie Wang, Yaowei Xiang, Yuixng Lin, Yang Sun, Zi-zhong Zhu, Shunqing Wu and Xinrui Cao*曹昕睿,厦门大学)

    J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 31902-31913
    https://doi.org/10.1039/D4TA06642A

作者简介

王美洁 博士研究生
厦门大学
本文第一作者,厦门大学物理科学与技术学院凝聚态物理专业博士在读。2022 年毕业于杭州师范大学物理学院并获得学士学位。






曹昕睿 副教授
厦门大学

本文通讯作者,厦门大学物理与科学技术学院副教授,博士生导师。本科和硕士就读于厦门大学材料科学与工程系,博士就读于瑞典皇家工学院理论化学与生物系。2015 年加入厦门大学,主要从事功能材料、多相催化和结构预测的理论研究,发表论文 50 余篇,主持国家自然科学基金青年和面上项目。

期刊介绍

Materials with applications in energy & sustainability

rsc.li/materials-a

J. Mater. Chem. A

2-年影响因子*10.7
5-年影响因子*10.8
JCR 分区*Q1能源与燃料
Q1化学-物化
Q1材料-多学科
CiteScore 分19.5
中位一审周期30 


Journal of Materials Chemistry A和 报道材料化学各领域的高质量理论或实验研究工作。这三本期刊发表的论文侧重于报道对材料及其性质的新理解、材料的新应用以及材料合成的新方法。Journal of Materials Chemistry A和 的区别在于所报道材料的不同预期用途。粗略的划分是,Journal of Materials Chemistry A 报道材料在能源和可持续性方面的应用,Journal of Materials Chemistry B 报道材料在生物学和医学方面的应用,Journal of Materials Chemistry C 报道材料在光学、磁学和电子设备方面的应用。

Editor-in-Chief
  • Anders Hagfeldt
    🇸🇪 乌普萨拉大学

Scientific editors
  • Sofia Calero
    🇳🇱 埃因霍芬理工大学

  • Serena Cussen
    🇮🇪 都柏林大学学院

  • Frank Osterloh
    🇺🇸 加州大学戴维斯分校

  • Xiaowei Zhan (占肖卫)
    🇨🇳 北京大学

Associate editors

  • Veronica Augustyn
    🇺🇸 北卡罗来纳州立大学

  • Viola Birss
    🇨🇦 卡尔加里大学

  • Ghim Wei Ho (何锦韦)
    🇸🇬 新加坡国立大学

  • Yun Jeong Hwang
    🇰🇷 首尔国立大学

  • Kisuk Kang
    🇰🇷 首尔国立大学

  • Subrata Kundu
    🇮🇳 中央电化学研究所(CSIR-CECRI)

  • Dan Li (李丹)
    🇨🇳 暨南大学

  • Yi-Chun Lu (卢怡君)
    🇨🇳🇭🇰 香港中文大学

  • Jennifer Rupp
    🇩🇪 慕尼黑工业大学

  • Miriam Unterlass
    🇩🇪 康斯坦茨大学

  • Lydia Helena Wong
    🇸🇬 南洋理工大学

  • Li-Zhu Wu (吴骊珠)
    🇨🇳 中科院理化所

  • Yusuke Yamauchi
    🇦🇺 昆士兰大学

  • Zhen Zhou (周震)
    🇨🇳 南开大学

* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
 CiteScore 2023 by Elsevier
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