二氧化碳（CO?）是一種污染物氣體，在全球變暖和氣候變化中起著關鍵作用，這些都是重大的環境問題。大氣中過量的CO?對人類健康和環境構成了嚴重威脅[1]。因此，人們越來越需要探索捕獲和儲存CO?的方法。這促使研究人員加大了力度，致力于開發有效的策略來減輕CO?排放對地球的負面影響。近年來，CO?的捕獲和儲存已成為關注的焦點領域，因為我們正在努力尋找可持續的解決方案來應對這一緊迫的環境問題[2]。在當代，二維（2D）結構因其獨特的性質而受到科學界的廣泛關注，并在許多學科中開辟了新的研究方向[[3], [4], [5], [6]]。
此外，計算化學和理論化學方法，尤其是密度泛函理論（DFT），已被廣泛用于研究不同材料，特別是CO?在納米材料上的吸附行為。迄今為止，已經使用了多種納米結構進行CO?的研究。然而，研究表明，一些純結構的CO?吸附能力有限，這是由于吸附劑表面原子與氣體分子之間的相互作用較弱。為了克服這一限制，研究人員探索了多種方法來修改納米結構，包括金屬修飾[[7], [8], [9]]、非金屬摻雜[10,11]、電荷或外部場的誘導[[12], [13], [14], [15], [16]]、有機物質的官能化[17]或缺陷引入[18]。事實上，在吸附劑表面引入外來原子可以增強其化學性質并提高其對CO?的親和力[19]。例如，可以將Sc和Cr等金屬原子沉積在石墨烯表面，創建能夠與CO?分子相互作用的活性位點[7]。不同的研究探討了Ca和Al原子與B??富勒烯中硼原子的結合，發現含有四個Ca或Al原子的B??富勒烯可以吸附多達16個CO?分子，密度約為55 wt%。這些結構中每個CO?的吸附能處于有效的存儲范圍內，表明摻雜了Ca和Al的B??富勒烯是高容量存儲CO?的有希望的材料[8]。此外，一個研究小組通過DFT和蒙特卡洛模擬評估了金屬嵌入的CN納米片對CO?的捕獲能力。Ca嵌入的CN納米片捕獲了6個CO?分子，吸附能為57.52 wt%[20]。碳化硅納米管（SiCNTs）也顯示出捕獲CO?的潛力。用Cu和Pd修飾的SiCNTs表現出較高的吸附能，表明它們對CO?的捕獲有效[21]。DFT研究顯示，金屬摻雜和晶體平面選擇顯著影響了MgO基吸附劑的CO?吸附性能。在不同表面上，MgO(110)的吸附性能優于MgO(100)，而用Li、Al、K和Ca等金屬摻雜可以同時提高結構穩定性和吸附性能，其中K的效果最佳[22]。此外，用各種金屬原子摻雜酞菁基框架可以顯著提高它們的CO?捕獲效率，突顯了金屬在優化吸附性能中的關鍵作用[23]。關于基于碳量子點的金屬鐵氧體（MFe?O?，M = Co2?, Ni2?, Zn2?）的研究表明，碳量子點的存在增強了電子轉移并提高了CO?的吸附效率。DFT分析還表明CO?與鐵氧體表面之間存在強烈的相互作用[24]。同樣，非金屬原子（如氮或硼）可以摻入碳結構中，形成極性官能團，通過靜電相互作用吸引CO?分子[10,11,25]。值得注意的是，協同效應是一種用于增強和強化納米結構中相互作用的技術，這種方法在過去已被應用于多種應用，包括氫儲存和CO?捕獲[7,26]。
在CO?捕獲研究的基礎上，也有許多關于CO?還原反應將其轉化為其他物質的研究[27,28]。
提出了一種無金屬電催化劑HSi?@C?N?用于CO?還原。該研究強調了氫化和應用電位在CO?活化中的重要性，為環保型CO?RR電催化劑的設計提供了指導[29]。石墨烯家族材料在捕獲CO?氣體方面具有優勢，在CO?還原反應中也表現出色[29,30]。研究人員使用計算機模擬研究了五層石墨烯（penta-graphene）捕獲和分離CO?與N?的能力。模擬結果顯示，五層石墨烯孔隙在捕獲和分離CO?方面比N?更有效。此外，模擬還表明CO?對五層石墨烯的吸引力比N?更強，證實了其作為CO?捕獲和分離材料的潛力[31]。石墨烯的一種同素異形體——石墨烯炔（graphyne）由石墨烯衍生而來，具有C-C三鍵。根據這些鍵的數量和分布，形成了不同的結構（α、β和γ-石墨烯）[32]。有一項研究開發了低成本、高效率的CO?還原電催化劑。研究了摻雜硼的石墨烯炔與過渡金屬的復合材料，其中MnB?@GY表現出最佳的CH?生成能力，具有低電位和高選擇性。B和Mn原子打破了線性縮放關系，通過調節電荷轉移和降低能量障礙來提高選擇性。共摻雜B和金屬原子增強了催化活性，促進了高效的CO?還原催化劑設計[33]。石墨烯炔的另一種成員——graphdiyne不僅可以捕獲和分離氣體分子，還在研究其還原CO?的潛力[34,35]。科學家們研究了基于金屬的graphdiyne催化劑對C?反應的影響。過渡金屬支持的graphdiyne原子催化劑可以產生多種C?產物。強調機器學習技術有助于預測反應能量和理解關鍵吸附過程。這項研究通過催化劑開發改進了CO?的還原和高效產物合成[36]。
另一方面，C68-石墨烯是最近理論提出的石墨烯家族的新成員之一。這種結構由兩個六元碳環通過兩個sp-sp鍵和一個sp-sp2鍵連接，形成了一個八元碳環。該結構的比表面積遠高于活性炭（2000 m2/g）和石墨烯（2620 m2/g），約為4255 m2/g，表明其在氣體吸附和純化方面的潛力[[37], [38], [39]]。通過聲子色散計算（未顯示虛頻）和AIMD模擬證實了原始C68-石墨烯單層的動態和熱力學穩定性。這些穩健的穩定性特征表明其具有實驗實現的潛力。最近，這種結構已被用作鋰離子電池的陽極，其鋰存儲容量計算為1954 mA h/g[39]。此外，摻雜鋰金屬的C68-石墨烯結構在氫存儲方面也顯示出8.04 wt%的潛力[40]。到目前為止，只有少數研究探討了C68-石墨烯的結構。因此，進一步探索這種二維納米結構在不同領域的應用將是一個挑戰。我們的研究展示了這種名為C68-GY的2D納米結構在捕獲CO?方面的潛力。本文基于DFT方法研究了CO?在該新型2D納米結構上的吸附行為，并評估了其作為有效CO?捕獲材料的潛力。為此，研究了C68-GY結構在摻雜/N、Al和Ca后的氣體限制特性，并通過分析Hirshfeld電荷轉移、CDD、PDOS和能帶結構圖來解釋這些相互作用。
