二氧化碳（CO?）是一种污染物气体，在全球变暖和气候变化中起着关键作用，这些都是重大的环境问题。大气中过量的CO?对人类健康和环境构成了严重威胁[1]。因此，人们越来越需要探索捕获和储存CO?的方法。这促使研究人员加大了力度，致力于开发有效的策略来减轻CO?排放对地球的负面影响。近年来，CO?的捕获和储存已成为关注的焦点领域，因为我们正在努力寻找可持续的解决方案来应对这一紧迫的环境问题[2]。在当代，二维（2D）结构因其独特的性质而受到科学界的广泛关注，并在许多学科中开辟了新的研究方向[[3], [4], [5], [6]]。
此外，计算化学和理论化学方法，尤其是密度泛函理论（DFT），已被广泛用于研究不同材料，特别是CO?在纳米材料上的吸附行为。迄今为止，已经使用了多种纳米结构进行CO?的研究。然而，研究表明，一些纯结构的CO?吸附能力有限，这是由于吸附剂表面原子与气体分子之间的相互作用较弱。为了克服这一限制，研究人员探索了多种方法来修改纳米结构，包括金属修饰[[7], [8], [9]]、非金属掺杂[10,11]、电荷或外部场的诱导[[12], [13], [14], [15], [16]]、有机物质的官能化[17]或缺陷引入[18]。事实上，在吸附剂表面引入外来原子可以增强其化学性质并提高其对CO?的亲和力[19]。例如，可以将Sc和Cr等金属原子沉积在石墨烯表面，创建能够与CO?分子相互作用的活性位点[7]。不同的研究探讨了Ca和Al原子与B??富勒烯中硼原子的结合，发现含有四个Ca或Al原子的B??富勒烯可以吸附多达16个CO?分子，密度约为55 wt%。这些结构中每个CO?的吸附能处于有效的存储范围内，表明掺杂了Ca和Al的B??富勒烯是高容量存储CO?的有希望的材料[8]。此外，一个研究小组通过DFT和蒙特卡洛模拟评估了金属嵌入的CN纳米片对CO?的捕获能力。Ca嵌入的CN纳米片捕获了6个CO?分子，吸附能为57.52 wt%[20]。碳化硅纳米管（SiCNTs）也显示出捕获CO?的潜力。用Cu和Pd修饰的SiCNTs表现出较高的吸附能，表明它们对CO?的捕获有效[21]。DFT研究显示，金属掺杂和晶体平面选择显著影响了MgO基吸附剂的CO?吸附性能。在不同表面上，MgO(110)的吸附性能优于MgO(100)，而用Li、Al、K和Ca等金属掺杂可以同时提高结构稳定性和吸附性能，其中K的效果最佳[22]。此外，用各种金属原子掺杂酞菁基框架可以显著提高它们的CO?捕获效率，突显了金属在优化吸附性能中的关键作用[23]。关于基于碳量子点的金属铁氧体（MFe?O?，M = Co2?, Ni2?, Zn2?）的研究表明，碳量子点的存在增强了电子转移并提高了CO?的吸附效率。DFT分析还表明CO?与铁氧体表面之间存在强烈的相互作用[24]。同样，非金属原子（如氮或硼）可以掺入碳结构中，形成极性官能团，通过静电相互作用吸引CO?分子[10,11,25]。值得注意的是，协同效应是一种用于增强和强化纳米结构中相互作用的技术，这种方法在过去已被应用于多种应用，包括氢储存和CO?捕获[7,26]。
在CO?捕获研究的基础上，也有许多关于CO?还原反应将其转化为其他物质的研究[27,28]。
提出了一种无金属电催化剂HSi?@C?N?用于CO?还原。该研究强调了氢化和应用电位在CO?活化中的重要性，为环保型CO?RR电催化剂的设计提供了指导[29]。石墨烯家族材料在捕获CO?气体方面具有优势，在CO?还原反应中也表现出色[29,30]。研究人员使用计算机模拟研究了五层石墨烯（penta-graphene）捕获和分离CO?与N?的能力。模拟结果显示，五层石墨烯孔隙在捕获和分离CO?方面比N?更有效。此外，模拟还表明CO?对五层石墨烯的吸引力比N?更强，证实了其作为CO?捕获和分离材料的潜力[31]。石墨烯的一种同素异形体——石墨烯炔（graphyne）由石墨烯衍生而来，具有C-C三键。根据这些键的数量和分布，形成了不同的结构（α、β和γ-石墨烯）[32]。有一项研究开发了低成本、高效率的CO?还原电催化剂。研究了掺杂硼的石墨烯炔与过渡金属的复合材料，其中MnB?@GY表现出最佳的CH?生成能力，具有低电位和高选择性。B和Mn原子打破了线性缩放关系，通过调节电荷转移和降低能量障碍来提高选择性。共掺杂B和金属原子增强了催化活性，促进了高效的CO?还原催化剂设计[33]。石墨烯炔的另一种成员——graphdiyne不仅可以捕获和分离气体分子，还在研究其还原CO?的潜力[34,35]。科学家们研究了基于金属的graphdiyne催化剂对C?反应的影响。过渡金属支持的graphdiyne原子催化剂可以产生多种C?产物。强调机器学习技术有助于预测反应能量和理解关键吸附过程。这项研究通过催化剂开发改进了CO?的还原和高效产物合成[36]。
另一方面，C68-石墨烯是最近理论提出的石墨烯家族的新成员之一。这种结构由两个六元碳环通过两个sp-sp键和一个sp-sp2键连接，形成了一个八元碳环。该结构的比表面积远高于活性炭（2000 m2/g）和石墨烯（2620 m2/g），约为4255 m2/g，表明其在气体吸附和纯化方面的潜力[[37], [38], [39]]。通过声子色散计算（未显示虚频）和AIMD模拟证实了原始C68-石墨烯单层的动态和热力学稳定性。这些稳健的稳定性特征表明其具有实验实现的潜力。最近，这种结构已被用作锂离子电池的阳极，其锂存储容量计算为1954 mA h/g[39]。此外，掺杂锂金属的C68-石墨烯结构在氢存储方面也显示出8.04 wt%的潜力[40]。到目前为止，只有少数研究探讨了C68-石墨烯的结构。因此，进一步探索这种二维纳米结构在不同领域的应用将是一个挑战。我们的研究展示了这种名为C68-GY的2D纳米结构在捕获CO?方面的潜力。本文基于DFT方法研究了CO?在该新型2D纳米结构上的吸附行为，并评估了其作为有效CO?捕获材料的潜力。为此，研究了C68-GY结构在掺杂/N、Al和Ca后的气体限制特性，并通过分析Hirshfeld电荷转移、CDD、PDOS和能带结构图来解释这些相互作用。
