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酞菁鈷（CoPc）作為一種固定在多相載體上的CO₂還原反應（CO₂RR）電催化劑備受關注，但分子與底物之間的相互作用仍有待澄清和優(yōu)化，以最大限度地提高反應動力學。

基于此，蘇州大學彭揚教授和程濤教授等人報道了通過將CoPc固定在導電碳底質(zhì)的Mg(OH)₂基底上，制備了CO₂RR催化劑，在電流密度為100 mA cm^?2下具有0.31±0.03 V的超低過電位，在寬電流密度內(nèi)具有95%的法拉第效率（FE），并且在膜電極組裝中可在100 mA cm^?2下工作50 h以上。

通過DFT計算，作者研究了Mg(OH)₂對CO₂的活化機理和CO₂RR過程的自由能圖。CoPc的氮原子與Mg(OH)₂的羥基之間形成的氫鍵有助于CoPc分子的均勻分散，而二體體系內(nèi)部相對較弱的相互作用允許CO₂分子的插層。

CoPc催化CO₂還原速率決定步驟（RDS）是第一個將鈷中心吸收的CO₂分子轉(zhuǎn)化為陰離子*CO₂^?中間體的電子轉(zhuǎn)移，后續(xù)的質(zhì)子化（*CO₂^? + H⁺ →*COOH）和去羥基化（*COOH + H⁺ + e^? →*CO + H₂O）步驟都是下坡的，不需要額外的能量輸入。

在CoPc/Mg(OH)₂上，通過CO₂中氧孤對電子與Mg²⁺的耦合，CO₂在Mg(OH)₂上的預活化，克服了*CO₂^?形成的高能壘。在CoPc/Mg(OH)₂上，第一電子轉(zhuǎn)移步驟（*CO₂ + e^? →*CO₂^?）的自由能僅增加0.01 eV，對比單獨的CoPc（0.81 eV）可忽略不計。

隨后的質(zhì)子化步驟形成了自由能勢壘為0.36 eV的RDS，可能是由于H⁺與Mg(OH)₂表面氫氧根（OH^?）基團具有較高的親和性，以及CoPc與Mg(OH)₂之間的氫鍵網(wǎng)絡中水合H⁺的遷移率相對較低。通過DFT計算，作者發(fā)現(xiàn)CO₂在Mg(OH)₂上的預活化可以極大加快CoPc上的CO₂RR動力學。

Pre-Activation of CO₂ at Cobalt Phthalocyanine-Mg(OH)₂ Interface for Enhanced Turnover Rate. Adv. Funct. Mater., 2023.

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【DFT+實驗】AFM：CoPc/Mg(OH)2/NC助力CO2還原

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