近些年来,化石燃料的燃烧导致了 CO2的过度排放,已经引起了严重的环境问题。开发高效、高选择性的光催化剂,将CO2还原为高附加值产物是能源和环境领域的重要课题。本文基于密度泛函理论研究了两类硼基纳米材料(B80富勒烯和富硼的氮化硼纳米管/纳米层)对CO2的活化和转化。计算结果表明,具有路易斯酸性质的CO2可以和两性的B80富勒烯分子发生酸碱作用,其分子中的C=O键得以有效活化。CO2分子可以在B80表面三种不同位点[B(1)-(2)、B(6)-(1)以及B(1)-(7)]发生化学吸附。电荷密度差分析表明,CO2与B80富勒烯表面的三种位点之间均存在电荷转移。对三种不同吸附位点上的加氢还原过程的吉布斯自由能变化的研究发现,HCOOH始终是CO2在B80表面上转化的主要产物,在三个吸附位点上CO2还原为HCOOH的限制电位分别为-0.31 V、-0.26 V 和-0.18 V。原生的氮化硼纳米管(BNNT)和纳米层(BNNS)均不能够有效活化CO2分子,引入B原子取代一些N原子后形成的富硼BNNT和BNNS就能有效活化CO2中的C=O键。Mulliken电荷分析表明,引入的硼原子(BN)改变了 BNNT和BNNS的局部电子结构,BN原子可以作为活性位点,将电荷转移给CO2,进而将其活化。对CO2在富硼的BNNT和BNNS表面加氢还原可能路径的吉布斯自由能变化的研究发现,富硼的BNNT和BNNS均可将CO2还原为CH4,限制电势分别为-0.23 V和-0.27 V。以上两类硼基纳米材料均能有效实现CO2的活化及转化,CO2加氢还原最终产物分别为HCOOH及CH4,并且限制电位均比较低,有成为性能较好的还原CO2的非金属催化剂的潜力。本文的研究结果可为实现CO2转化的新型催化剂的设计以及相关的实验研究提供有价值的信息。