曾志远教授、李昊教授, Small观点：Ni单原子锚定在WTe2单层促进电催化CO2还原成甲酸（HCOOH）

第一作者：张月凤，杨锐捷

通讯作者：曾志远*，李昊*

单位：香港城市大学，日本东北大学

化石燃料的过度使用导致了严重的能源危机和温室效应。利用清洁能源为动力，在室温下将CO₂ 转化为高附加值的燃料和化学品是缓解化石资源快速消耗和实现碳中和的有效策略。在众多含碳产物中，HCOOH作为理想的氢载体备受科研人员的青睐。尽管贵金属基催化剂在生产HCOOH中表现出优越的性能，但是开发低成本，环境友好，且活性高的非贵金属催化剂仍然面临很大的挑战。

本篇工作采用第一性原理锚定了一系列金属单原子在WTe₂表面，从而筛选出具有前景的催化剂，结果显示Ni单原子锚定的WTe₂单层催化剂具有优越的催化活性。该工作所提出的单原子锚定单层硫化物催化剂的策略为商业上大量的生产甲酸提供有效地指导。

基于此，香港城市大学的曾志远教授与日本东北大学李昊教授合作在国际知名期刊Small上发表题为“Boosting Electrocatalytic Reduction of CO₂ to HCOOH on Ni Single Atom Anchored WTe₂ Monolayer”的研究论文。该工作筛选出Ni锚定WTe₂单层催化剂在动力学和热力学上都具有良好的稳定性，且展现出高的HCOOH选择性和活性，同时能够有效地抑制析氢反应。该工作为CO₂电催化剂的研发提供新的路径。

图1 CO₂还原成HCOOH在WTe₂和Ni@WTe₂示意图

在2H相单层WTe₂的基底上锚定Ti, Fe, Ni, Cu, Zn, In和 Sn七个不同的金属单原子，通过比较金属单原子在WTe₂表面的结合能，我们淘汰了与WTe₂结合能比较弱的Zn和In金属原子，接着，我们对剩下的5种金属原子进行分子动力学模拟，发现它们在500K的高温下也是可以稳定存在的。

要点二：CO₂还原反应和析氢反应的对比

析氢反应和CO₂还原反应是竞争关系，对比Ti, Fe, Ni, Cu和Sn在WTe₂上 ΔG (*H)和ΔG (*OCHO)的数值，我们发现Ti, Fe, Ni, Cu在WTe₂上主反应是CO₂还原反应，对副产物氢气能够有效地抑制，而Sn更利于析氢反应，所以Sn @WTe₂是一个很差的CO₂还原催化剂。

要点三：CO₂分子的活化

CO₂的活化是CO₂还原的第一步也是关键的一步，我们计算CO₂在WTe₂和金属锚定的WTe₂上的吸附能和电荷密度差。结果展示CO₂分子物理吸附在WTe₂, Sn@WTe₂, Cu@ WTe₂表面，与基底有较少的电荷转移，存在较低的吸附能值。而CO₂分子在Ni, Fe, Ti锚定的WTe₂表面结构从线性变成弯曲，有较多的电荷转移，展现出很强的相互作用。

要点四：金属单原子锚定的WTe₂结构CO₂还原催化性能

吸附的CO₂耦合质子和电子会产生一系列的中间态和催化产物，通过吉布斯自由能图可以看到CO₂第一次质子化更容易产生OCHO中间态，但能垒非常高，且产物繁多，所以WTe₂是一个很差的CO₂还原催化剂。而经过Ni, Fe, Ti, Sn, Cu修饰的WTe₂单层催化剂一定程度上提高催化的活性，尤其是Ni@WTe₂催化剂在-0.11V的超低起始电势下，对OCHO有适中的结合能使得该催化剂展现出极好的HCOOH选择性，，所以Ni@WTe₂是一个很有前景的CO₂电催化还原催化剂候选者。

“Boosting Electrocatalytic Reduction of CO₂ to HCOOH on Ni Single Atom Anchored WTe₂ Monolayer”

曾志远，香港城市大学助理教授，博士生导师。2006年，2008年和2013年分别在中南大学，浙江大学和新加坡南洋理工大学获得材料学的学士，硕士和博士学位。2013-2017在美国加州Lawrence Berkeley National Laboratory从事博士后科学研究。2017-2019在美国加州硅谷Applied Materials Inc.从事半导体芯片（DRAM, 3D NAND）的等离子体刻蚀（Plasma Etching）工艺研发，历任工程师、高级工程师。2019年加入香港城市大学材料科学与工程学院。

现主要从事二维TMDs材料的电化学插层剥离技术、膜分离技术、原位液相透射电镜技术等研究。在Nat. Mater., Nat. Protoc., Nat. Commun., Matter, Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等杂志共发表SCI论文103篇（65篇IF>10），他引17200+次，单篇引用100次以上论文38 篇，19 篇入选ESI 高被引论文（Web of Science），H 因子50 (Google Scholar)。2018年曾获“国家海外高层次青年人才”，曾任美国电化学协会旧金山分会秘书长（2014-2015）。

2020，2018两年度被科睿唯安（Clarivate Analytics）评为“高被引科学家”。2021, 2020两年度入选斯坦福大学发布的全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Most-cited Scientists）。2022年先后获Advanced Materials（影响因子30.85），Small（影响因子15.15）科技新星（Rising Star Series）称号，2021，2020年分别获Chemical Communications，Journal of Materials Chemistry A 新锐科学家（Emerging Investigators）称号，现任Frontiers in Chemistry（影响因子5. 545）副主编，Energy & Environmental Materials (影响因子15.122),《电化学》(主编：孙世刚院士)，Chinese Chemical Letters等杂志的青年编委。

至今已在杂志发表论文109篇，包含Nature Catalysis、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Advanced Materials、ACS Catalysis 等领域权威杂志。2015年至今论文被引用3700余次、H指数为34。在Advanced Materials、ACS Catalysis 等数十个知名杂志担任审稿人。2019 至今被 Nano Materials Science 等杂志邀请担任专刊客座主编, 同时为 Frontiers in Catalysis 杂志担任副编辑。李昊曾获一系列国际奖项和荣誉，包括“表面科学青年学者”荣誉、被美国化学工程师协会评为年度最佳基础学科研究、被英国皇家化学会旗下杂志评为年度杰出青年材料化学学者。

张月凤，香港城市大学博士研究生，主要研究方向为电催化CO₂还原，以第一作者在Small, JMCA, PCCP, JEC等期刊发表论文6篇。

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