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全球氣候變化已經(jīng)成為人類社會(huì)發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。在“碳中和”的國際大背景下，設(shè)計(jì)具有高活性和選擇性的二氧化碳電還原催化劑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。當(dāng)前，Au、Ag、Cu、Pd等貴金屬及其相關(guān)材料仍然是人們探索二氧化碳還原電催化劑的熱點(diǎn)。然而，貴金屬催化劑具有催化活性低、產(chǎn)物選擇性差以及析氫效率高等問題。

在前期工作中（Chem. Sci., 2022, 13, 3880），趙忠龍副教授和Gang Lu教授合作，利用第一性原理計(jì)算模擬，首次提出了雙金屬單層電催化劑表面的“雙位泛函”機(jī)制，能夠有效地抑制析氫副反應(yīng)并提升二氧化碳電還原為甲酸產(chǎn)物的活性和選擇性。然而，實(shí)驗(yàn)合成具有超薄殼層的雙金屬電極仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。鑒于此，本工作利用第一性原理計(jì)算模擬方法，首次提出過渡金屬碳化物和氮化物可以作為貴金屬單層的襯底，在保留“雙位泛函”的基礎(chǔ)上，能夠顯著提升催化劑的電化學(xué)穩(wěn)定性。

ML/TMX (X = C, N)催化劑表面的“雙位泛函”

 計(jì)算表明，碳化物和氮化物支撐貴金屬單層以及單層團(tuán)簇催化劑中存在氫-襯底反鍵相互作用，能夠打破吸附氫和二氧化碳還原中間物之間的能量線性關(guān)系。此外，通過理論模擬預(yù)測(cè)了一系列具有較高甲酸、甲醇和乙烯等碳?xì)浠衔锂a(chǎn)物選擇性的新型電催化劑，為提升電化學(xué)二氧化碳還原性能提供了新思路。

二氧化碳還原高階產(chǎn)物自由能相圖

TMC/TMN支撐貴金屬單層催化劑的拓展

趙忠龍副教授

 通訊作者簡(jiǎn)介：趙忠龍，內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師。2015年畢業(yè)于吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，獲凝聚態(tài)物理博士學(xué)位；2015-2019年為美國加州州立大學(xué)北嶺分校博士后；2019年加入內(nèi)蒙古大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院。入選內(nèi)蒙古自治區(qū)第十批“草原英才”。主要從事納米能源催化材料的第一性原理模擬工作，以第一作者、共同第一作者或通訊作者在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Sci.、Adv. Energy Mater.、Nano Lett.、ACS Catal.、Phys. Rev. B等國際著名刊物發(fā)表研究論文20余篇，論文累計(jì)引用2500余次。主持國家自然科學(xué)基金、內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金等項(xiàng)目。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202203138