单原子金属-氮-石墨烯（M-N-Gra）催化剂是用于电催化CO₂还原反应（CO₂RR）的有前途的材料。然而，由于建模固/液界面和电化学环境的复杂性，极大地阻碍了对此类系统的理论探索。在当前的工作中，我们用明确的水模型研究了CO2RR中的两个关键过程，即在Fe-N₄中心吸附和解吸CO₂和CO。我们使用了与自由能采样方法和电极电势分析相关的从头计算分子动力学模拟来评估电化学环境下的能量，并发现与真空中的相同过程相比，水溶液存在显着差异。彻底讨论了施加的电极电势对Fe-N-Gra上的吸附结构、电荷转移和CO₂和CO的自由能的影响。这些发现为现实条件下对CO₂RR过程的基本理解提供了见识，并促进了未来高效M-N-Gra基CO₂RR催化剂的设计。
 
  
Figure 1. 建模系统的结构：包括Fe-N-Gra催化剂、明显的溶出物和被吸附物。（a）Fe-N-Gra表面的俯视图；（b）以纯水系统中吸附的CO为例，整个系统的侧视图。
 
 
Figure 2. （a）在真空、水、K-sol系统中，CO₂吸附到Fe中心期间，通过IS和FS的AIMD模拟获得的结构快照。（b）在这三个系统中吸附CO₂的自由能分布。（c）CO₂的电荷和（d）系统的电极电势U
 

Figure 3. （a）在真空、水、K-sol、HCO₃-sol系统中，CO吸附到Fe中心期间，通过AIMD模拟IS和FS的结构快照。（b）在不同类型系统下，用于CO吸附的自由能分布图。（c）CO的电荷和（d）系统的电极电势U。
 
  
Figure 4. （a）CO₂中的O-CO夹角和（b）CO中C-O的键长与其在不同电势系统下带电电荷的关系。（b）中插图：在Fe-N-Gra上进行恒定电势校正后CO的吸附自由能及其相应的电荷。
 
        相关研究成果于2021年由上海科技大学Bo Yang课题组和中国科学院Jian Liu课题组，发表在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。

转自《石墨烯杂志》公众号