机制驱动的二维过渡金属二硼化物上的 CO2 捕获与活化

缓解大气CO2水平不断上升的紧迫需求，激发了寻找稳定、高效且可调节吸附材料的研究。本研究采用第一性原理密度泛函理论，探讨了CO2分子在二维六方形过渡金属二硼化物单层材料（M2B2，M=Sc、Y、Ti、Zr、Nb）上的吸附。系统分析了吸附能、结构变形及键合特征，以理解金属中心如何支配CO2活化。计算得到的吸附能范围为-1.84至-2.16 eV（或-1.98至-4.42 eV），其中Ti2B2和Sc2B2表现出最强的CO2结合，而Y2B2、Zr2B2和Nb2B2则显示中等强度化学吸附。吸附导致分子活化显著，证据为C-O键延长（1.27-1.29 Å）和O-C-O角偏斜（129-132度），与气相线性配置（1.17 Å，180度）相比。电荷分析进一步揭示了从单层到CO2的大量电子转移，符合强化化学吸附和结构变形。相应地，IpCOHP(Ef)值趋于不太负值，表明内部C-O键显著弱化，反映出反键π*轨道的占据增加。初步分子动力学模拟表明，活化后的CO2物种在热力学上较为敏感：虽然大多数M2B2表面在300 K下保持稳定吸附，但Ti2B2可驱动CO2自发分解为CO和O，揭示了温度辅助的活化通路。本文结果凸显了不同过渡金属如何调节电子相互作用、吸附能量及活化路径在M2B2表面。总体而言，本工作识别出二维过渡金属二硼化物作为下一代CO2捕获与活化技术的有前景的候选材料。