哈尔滨师范大学J. Mater. Chem. A:超配位Cu2B2单层材料高效电催化CO还原生成乙醇

【引言】

在温和的条件下电催化CO还原生产液体燃料（如乙醇）被认为是解决能源危机和环境危机的一种有前途的策略，但同时面临所用催化剂活性低和反应选择性差等挑战，因而极大限制了其大规模应用。由于铜基催化剂及含硼材料普遍具有良好的电催化碳还原活性，一直备受研究者的广泛关注。

【成果简介】

近日，哈尔滨师范大学化学化工学院赵景祥教授（通讯作者）课题组的贾晶晶（文章一作）、联合南开大学材料学院周震教授（共同通讯作者）及中国民航大学张海军教授（共同通讯作者）报道了一种新颖的超配位二维Cu₂B₂催化剂，在此催化剂的作用下CO还原产生乙醇。结果表明，设计的Cu₂B₂材料不仅具有良好的热力学稳定性、动力学稳定性及电化学环境稳定性，而且还具有优异的金属特性。 特别是，二维Cu₂B₂单层可以通过“carbene”机理有效催化CO还原为C₂H₅OH，反应过程中limiting potential仅为-0.59 V，同时C-C间耦合能垒为仅为0.41 eV。该研究成果以题为“Cu₂B₂ Monolayer with Planar Hypercoordinate Motifs: an Efficient Catalyst for CO Electroreduction to Ethanol”发表在J. Mater. Chem. A期刊,并入选为同期Hot Papers。

【图文解读】

图1. Cu₂B₂单层结构

(a) 二维Cu₂B₂材料俯视图; (b) 二维Cu₂B₂材料侧视图

图2、二维Cu₂B₂材料离子键的形成

（a) 二维Cu₂B₂材料的ELF的等值面；(b) 垂直于二维Cu₂B₂材料方向切片的ELF图。

图3、二维Cu₂B₂材料的电子特性

HSE06函数计算的二维Cu₂B₂材料能带结构和态密度

图4、一氧化碳活化

(a) 优化的吸附结构; (b) 局部态密度; (c)Cu₂B₂单层上CO分子的差电荷密度

图5、CO电还原为乙醇的吉布斯自由能变化

【小结】

综上所述，我们基于第一性原理计算设计了一种新颖的具有平面高配位结构的二维Cu₂B₂单层，用于将CO电催化还原为CH₃CH₂OH产物。Cu₂B₂单层的CO和B位之间的“接受-供体”过程导致CO分子充分活化，并通过“carbene”机理促使随后的CO还原成C₂H₅OH，其极限电位仅为-0.59V，同时该材料具有良好的稳定性。总之，该工作不仅极大拓宽了二维超配位材料应用领域，而且为一氧化碳转化为C₂化学品提供了新思路。

文献链接：Cu₂B₂ Monolayer with Planar Hypercoordinate Motifs: an Efficient Catalyst for CO Electroreduction to Ethanol (J. Mater. Chem. A, 2020, https://doi.org/10.1039/D0TA02471F)