[论文解读] Mechanism-driven CO2 Capture and Activation on Two-dimensional Transition-metal Diborides

Jakkapat Seeyangnok, Rungkiat Nganglumpoon+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2026

Boron and Carbon Nanomaterials Research被引用 0

一句话总结

论文使用第一性原理的 DFT 展示六方 M2B2 单层（M=Sc,Y,Ti,Zr,Nb）上强化学吸附和 CO2 活化，驱动力来自从表面向 CO2 的电荷转移，Ti2B2 和 Sc2B2 展现最强的结合及潜在的解离途径。

ABSTRACT

The urgent need to mitigate rising atmospheric CO2 levels motivates the search for stable, efficient, and tunable adsorbent materials. In this study, we employ first-principles density functional theory to investigate the adsorption of CO2 molecules on two-dimensional hexagonal transition-metal diboride monolayers, M2B2 (M = Sc, Y, Ti, Zr, Nb). The adsorption energies, structural distortions, and bonding characteristics are systematically analyzed to understand how the metal center governs CO2 activation. The calculated adsorption energies range from -1.84 to -2.16 eV (or -1.98 to -4.42 eV), with Ti2B2 and Sc2B2 exhibiting the strongest CO2 binding, while Y2B2, Zr2B2, and Nb2B2 show moderately strong chemisorption. Adsorption induces significant molecular activation, evidenced by elongated C-O bonds (1.27-1.29 Angstrom) and bent O-C-O angles (129-132 degrees), compared to the linear gas-phase configuration (1.17 Angstrom, 180 degrees). Charge analysis further reveals substantial electron transfer from the monolayer to CO2, consistent with strong chemisorption and structural deformation. Correspondingly, the shift toward less negative IpCOHP(Ef) values indicates a pronounced weakening of the internal C-O bonds, reflecting increased population of antibonding pi* orbitals. Ab initio molecular dynamics simulations show that the activated CO2 species is thermally sensitive: while most M2B2 surfaces retain stable adsorption at 300 K, Ti2B2 drives spontaneous CO2 dissociation into CO and O, revealing a temperature-assisted activation pathway. These findings highlight how the choice of transition metal tunes electronic interactions, adsorption energetics, and activation pathways on M2B2 surfaces. Overall, this work identifies two-dimensional transition-metal diborides as promising candidates for next-generation CO2 capture and activation technologies.

研究动机与目标

• 评估六方 M2B2 单层（M = Sc, Y, Ti, Zr, Nb）在潜在 CO2 应用中的结构稳定性。
• 评估 CO2 在 M2B2 表面的吸附能与结合构型。
• 阐明 CO2 吸附过程中的电子结构变化与电荷转移机理。
• 确定分子活化的指示，如键伸长、弯曲和 COHP 变化。
• 通过从头算分子动力学探索吸附 CO2 的热效应。

提出的方法

• 使用 Quantum Espresso 进行 PBE-GGA 和 PAW赝势的 DFT 计算。
• 应用 Grimme D3 修正以捕捉色散相互作用。
• 在 3x3x1 的 M2B2 表面超胞上建模 CO2 吸附并计算吸附能。
• 使用 Löwdin 和 Bader 电荷分析量化电荷转移。
• 利用 LOBSTER 进行 COHP 分析以评估 C–O 键强度的变化。
• 在 300 K 下进行从头分子动力学以评估热稳定性和潜在解离途径。

Figure 1: Top (left) and side (right) views of the optimized atomic structure of two-dimensional hexagonal $\mathrm{M_{2}B_{2}}$ ( $\mathrm{M=Sc,Y,Ti,Zr,Nb}$ ) monolayer. The purple and green spheres represent the metal (M) and boron (B) atoms, respectively. The black lines indicate the primitive un

实验结果

研究问题

• RQ1 各 M2B2（M=Sc,Y,Ti,Zr,Nb）单层最有利的 CO2 吸附构型是什么？
• RQ2 表面对 CO2 的电荷转移如何影响 C–O 键的激活及反键轨道占据？
• RQ3 在热条件下，哪些 M2B2 成分会表现出最强吸附及潜在的 CO2 解离？
• RQ4 振动与动力学稳定性特征与整系列的 CO2 活化之间有何相关性？

主要发现

• 吸附能介于 -1.84 至 -2.16 eV，Ti2B2 和 Sc2B2 对 CO2 的结合最强。
• CO2 在吸附后发生弯曲（129–132°）并且 C–O 键伸长至 1.27–1.29 Å，表明已被激活。
• Löwdin 与 Bader 分析显示对 CO2 发生显著的电子转移，形成 CO2δ−；Nb 捐赠最少而 Sc 与 Ti 捐赠更多。
• COHP 分析表明 IpCOHP(Ef) 从孤立 CO2 的 -18.29 eV 移位至吸附后 -13.91 至 -14.43 eV，反映 C–O 键的削弱。
• 在 300 K 的 AIMD 研究中，表面结合的 CO2δ− 对温度敏感；Ti2B2 可自发解离 CO2 成 CO 与 O，而 Nb2B2 保持相对稳定。
• 所有原始的 M2B2 单层在动力学上均稳定，未出现虚声子模。

Figure 2: Phonon dispersion relations of the pristine two-dimensional $\mathrm{M_{2}B_{2}}$ ( $\mathrm{M=Sc,Y,Ti,Zr,Nb}$ ) monolayers along the high-symmetry path $\Gamma$ –K–M– $\Gamma$ in the Brillouin zone. Panels (a)–(e) correspond to $\mathrm{Sc_{2}B_{2}}$ , $\mathrm{Y_{2}B_{2}}$ , $\mathrm{Ti_