过渡金属掺杂 MoS2 电催化二氧化碳的第一性原理研究开题报告

自从工业革命以来，人类开始了对化石燃料的大规模使用。并且随着工业高速发展，矿物质燃料的消耗将日益加剧[1]。在可预测的未来几十年中，煤炭、石油、天然气等化石燃料仍将是人类的主要能量来源。化石燃料的大量消耗不仅带来了环境污染问题，而且产生的大量二氧化碳 (co₂) 使“温室效应”加剧导致全球气候变暖，使得高纬度地区冻土带变薄甚至融化，部分地区大面积沼泽化，南北极和格陵兰冰盖大面积融化，引起海平面上升。此外，化石燃料为不可再生能源，因此对化石燃料的高速消耗也加剧了能源危机。基于上述严峻的问题，将co₂还原为具有高附加值的化学品和燃料是储存可再生能源和减少温室气体排放的有吸引力的战略[2]。因此，研究相关反应的机理和高效催化剂的开发都具有很重要的科学意义。

由于co₂的热力学稳定性，启动co₂还原需要较高的过电位，因此对co₂的转化有很大的挑战[3-5]。催化还原co₂是目前关于co₂再利用的最有效方法。co₂的还原方法主要有催化加氢还原，光催化还原，电化学还原等三种方法。相较而言，电化学还原反应条件温和，还原反应所需要的电能可以利用可再生能源转化，使间歇性的能源转变为稳定的化学能进行储备[4,5]。此外，反应具有可控性，可根据不同的产物需求来调整反应条件。电化学还原还具有更易于工业化生产的特点，因此受到科研工作者的广泛关注。在电化学还原过程中，阴极材料的催化性能是一项很重要的指标。co₂与这些催化剂表面的相互作用导致了电荷的转移和再分配[1,5,6]，可以使还原反应更顺利进行。在研究的早期阶段，金属阴极材料因其高导电性和低成本而受到关注。在所有金属阴极催化剂中，过渡金属（如cu，au，ag，co和mn）已被实验证明能以中等的反应速率和过电位还原二氧化碳，但是它们仍具有催化效率较低，反应产物选择性不高等缺点[4,7-9]。为了开发更高效过电位更低的催化剂，还需要对其催化机理进行更深入的研究[9]。近年来新兴的二位材料以其较高的催化活性和较低制备成本得到了广泛的研究[10,11]。其中，实验表明mos₂的边缘区域有高催化活性[12]，边缘位置原子和不同中间产物具有不同的结合关系[12-14]。研究表明，反应有不同的路径，且反应被多个含不同中间产物的步骤联合控制[12-16]。mos₂具有层状结构，一个简单层由s-mo-s三明治结构组成，可以对于其边缘搭建周期性条带模型用于研究计算[12-16]。虽然mos₂具有较好的催化析氢的性能，但其对co₂的催化性能还有待提高，对其研究还存在反应路径不明晰[12-16]，关键中间产物的线性标度关系无法有效彻底解决等[17]。

随着计算机技术的发展，应用计算机和第一性原理计算作为科研手段成为了可能。通过理论计算对新型催化剂的寻找和催化反应机理的探究具有效率高，研究周期短，更研发投入较少等优势，并且对实验机理具有指导和前瞻意义。本课题拟采用过渡金属 cr 掺杂二硫化钼体系为模型，通过第一性原理密度泛函理论研究co₂电催化还原机理。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

通过国内外相关文献的调研，了解电催化还原co₂的研究现状和发展趋势，了解第一性原理和密度泛函理论。学会搭建二硫化钼和其掺杂过渡金属体系的模型。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解和学习研究所需的计算软件、计算方法。确定研究方案，并完成开题报告。

4. 参考文献（12篇以上）

1. 刘金杭, 几种二维单原子催化剂电催化还原CO₂的第一性原理研究[D]. 2019, 华中科技大学.
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3. Lv, KL; Suo,WQ; Shao, MD; Zhu, Y; Wang, XP; Feng, JJ; Fang, MW, Nitrogen doped MoS₂ and nitrogen doped carbon dots composite catalyst for electroreduction CO₂ to CO with high Faradaic efficiency[J]. NANO ENERGY. 2019. 文献号: 103834
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