將二氧化碳(CO₂)電化學轉化為有價值的碳基產品被認為是解決溫室效應和全球能源問題的一種有吸引力的方法。雖然二氧化碳轉化為一氧化碳(CO)已達到很高水平，但由于二氧化碳還原反應(CO₂RR)的動力學限制，生產多電子還原產物仍然很困難。因此，后續的CO電還原(COER)對于深度還原CO₂十分重要，因此開發高效的COER電催化劑是非常必要的。目前，銅基納米材料仍然是最有前途的COER電催化劑之一，可用于生產各種碳氫化合物和含氧化合物。然而，它們的商業應用受到耐久性差、高過電位和低法拉第效率的阻礙。因此，進一步開發高效、高選擇性的COER電催化劑仍是一個值得關注的領域。

本文通過密度泛函理論(DFT)計算，探討了一系列固定在N摻雜γ-石墨炔上的過渡金屬原子作為COER電催化劑的潛力。這些單原子催化劑的最終產物選擇性取決于金屬原子在元素周期表中的位置，每個周期前和中間的金屬對CH₄具有高選擇性，而后面的金屬產生CH₃OH。其中，在所有考慮的金屬原子中Mn@N-GY和Ni@N-GY分別對生成CH₄和CH₃OH具有優異的COER催化性能。

Figure1 (a) The considered three sites for TM anchored on N-GY (b) Binding energies of TM anchored on N-GY. (c) Energy profile of AIMD simulation on Ag@N-GY at 500 K.?

Figure2 (a)The computed adsorption energy of CO on TM@N-GY.(b) The computed charge density differenceof CO adsorption on Mn@N-GY. (c) The partial density of states (PDOSs) between CO and Mn before and after CO adsorption. (d) The correlation between integrated crystal orbital Hamilton population (ICOHP) and the adsorption energy (ΔE_ads) of CO.?

Figure3 (a) Gibbs free energy profiles for CO reduction to CH₄on Mn@N-GY. (b) Gibbs free energy profiles for CO reduction to CH₃OH on Ni@N-GY.(c)Computed theoretical limiting potential (U_L) on twenty catalysts ofTM@N-GY.?

Figure 4 (a) Volcano plots between ?E_CHO* and UL. (b) The RMSE and the R²score on the test set of machine learning models with different algorithms for ?E_CHO*. (c) Comparison between DFT-calculated and ML-predicted ?E_CHO*. Green and pink points correspond to the training data and test data, respectively. (d) Pie chart for feature importance analysis in the ML model.

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Figure5 (a) Computed energies of the Mn@N-GY andcorresponding reaction intermediates as a function of the applied electrode potential (SHE). (b) Free energy changes of the reaction steps of Mn@N-GY as a function of pH. (c) pH-dependent and potential-dependent contour plot of adsorption energies of*CO and (d) *CHO on Mn@N-GY.

趙景祥，哈爾濱師范大學化工學院教授、博士生導師，黑龍江省杰出青年，龍江青年學者；主要從事低維納米材料電催化性能的理論研究工作，在J. Am. Soc. Chem., Matter, Chem., ACS Catal.等國際知名學術期刊發表SCI論文80余篇，ESI高被引論文6篇；獲黑龍江省科學技術二等獎一項；現為美國化學學會、中國化學學會會員；黑龍江省化學理事會理事。

鄭偉濤，吉林大學常務副校長，教授，博士生導師。主要從事超硬薄膜材料、功能薄膜材料、石墨烯等碳納米材料、儲能電極材料及材料計算與模擬等研究，主持國家863、國家基金委重點項目、科技部重大儀器專項、“高等學校學科創新引智計劃”等，獲得吉林省科技進步獎一等獎（2008年）、吉林省自然科學獎一等獎2項（2016年，2020年）（均為第一完成人），獲得中國發明專利40余項，發表SCI收錄論文600余篇，H值71。著有《薄膜材料與薄膜技術》等。

崔小強，吉林大學材料科學與工程學院副院長，主要研究方向為能源催化材料，從原子尺度上開展高效催化劑的設計和制備研究。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.等國際知名學術期刊發表SCI論文160余篇，其中ESI高被引論文7篇，授權中國發明專利32件；主持科技部國家重點研發計劃納米專項課題、國家自然科學基金面上項目等；獲教育部“新世紀優秀人才”計劃支持、吉林省“長白山學者”、長春市第六、七批有突出貢獻專家，吉林省第七批拔尖創新人才第三層次。

崔小強課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/Cui_Xiaoqiang

Jiao D, Zhang D, Wang D, et al. Applying machine-learning screening of single transition metal atoms anchored on N-doped γ-graphyne for carbon monoxide electroreduction toward C1 products. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5773-0.