铜修饰联苯烯上高效的二氧化碳电化学还原反应

开发高效的 CO$_2$ 还原电催化剂以生产增值产品对绿色经济至关重要。受近期联苯烯（Biphenylene, BPH）合成的启发，我们系统地研究了原始、缺陷和铜修饰的 BPH 作为 CO$_2$ 还原反应（CRR）电催化剂的性能。第一性原理计算表明，CO$_2$ 分子与原始 BPH 表面相互作用较弱，而缺陷 BPH 则促进 CO$_2$ 吸附，其结合能（$E_b$）为 -3.22 eV，表明在这两种体系表面上进行 CRR 的过程均不利。此外，我们研究了作为单原子催化剂（SAC）的铜修饰 BPH 的结合能和动力学稳定性。分子动力学模拟证实了其动力学稳定性，表明在低金属分散条件下铜原子避免了团聚。CO$_2$ 分子以水平方式吸附在 Cu-BPH 表面，$E_b$ 为 -0.52 eV。CRR 机制通过两条路径进行研究，起始于两种不同的初始中间态：甲酸盐（$\mathrm{^*OCOH}$）路径和羧基（$\mathrm{^*COOH}$）路径。甲酸盐路径证实了 $\mathrm{^*OCOH}$ 向 $\mathrm{^*HCOOH}$ 的转化，生成 HCOOH 的速率限制电位（$U_L$）为 0.57 eV；而对于羧基路径，$\mathrm{^*COH}$ 向 $\mathrm{^*CHOH}$ 的转化具有 0.49 eV 的 $U_L$，用于生成 CH$_3$OH。我们还利用带电氢赝势研究了质子的影响，这暗示了可能形成 CH$_3$OH 作为燃料。我们的发现表明，与众所周知的铜金属相比，Cu-BPH 是一种高效的 CO$_2$ 转化单原子催化剂。