理論研究Cu@C2N催化劑表面上水分子對電催化CO2還原反應機理的影響

摘要：電催化CO2還原反應（CO2RR）的反應途徑涉及多個質子-電子對轉移，在水溶劑條件下，質子的來源是水分子，考慮水分子對質子-電子對的轉移機制十分必要。本研究提出水輔助氫穿梭模型，與常用的以氫原子作為氫源的直接加氫模型對比，研究水分子在CO2RR中對質子-電子對轉移的影響。采用密度泛函理論，系統地研究了銅原子嵌入C2N單層催化劑（Cu@C2N）和石墨烯作為襯底的Cu@C2N/石墨烯復合催化劑（Cu@C2N/G）表面上不同加氫模型的CO2RR反應機理。在水輔助氫穿梭模型中，氫原子與水分子結合形成水合質子，水合質子將自身的氫原子轉移到催化劑表面的反應物上形成反應中間體，增強了中間體與催化劑之間的相互作用。此外，在Cu@C2N/G催化劑中，石墨烯將電子轉移到表面的Cu@C2N上，提高了催化劑的CO2RR催化活性。進一步，計算了Cu@C2N和Cu@C2N/G催化劑上CO2RR和析氫反應的極限電位，討論催化劑的活性和選擇性。結果表明CO2在低電位下容易生成HCOOH，施加高電位時可以生成CO、CH3OH和CH4并伴隨著H2的生成。

關鍵詞：CO2還原反應；電催化；氮摻雜石墨烯；水輔助氫穿梭；反應機理；密度泛函理論

中圖分類號：O643