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黃世萍/陳中方/張勝利EES：二維材料數(shù)據(jù)庫結(jié)合理論計(jì)算，篩選電化學(xué)穩(wěn)定氧電催化二維材料

氧電催化，包括氧還原反應(yīng)(ORR)和析氧反應(yīng)(OER)，是許多重要的能量轉(zhuǎn)化裝置(如燃料電池和電解槽)的關(guān)鍵過程之一，其中ORR是燃料電池的陰極半反應(yīng)，而OER通常作為水電解槽中的陽極反應(yīng)幫助產(chǎn)生有價值的燃料或氫氣(例如，CO₂還原為多碳產(chǎn)物，N₂還原為NH₃，以及生產(chǎn)H₂)。

通過一個小的過電位驅(qū)動這些反應(yīng)達(dá)到合理的電化學(xué)速率，從而提高能源效率，對于當(dāng)前能源基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步發(fā)展具有重要意義。然而，由于催化劑表面的氧電催化動力學(xué)緩慢，大多數(shù)材料沒有表現(xiàn)出合適的活性。

目前，最活躍和應(yīng)用最廣泛的ORR和OER催化劑分別是Pt基和IrO₂基材料，但這些催化劑的活性部位在水溶液條件下和在高氧化電極電位下會發(fā)生溶解和氧化。因此，目前最重要的任務(wù)之一是尋找穩(wěn)定的、高活性的、低成本的氧電催化催化劑。

基于此，北京化工大學(xué)黃世萍、美國波多黎各大學(xué)陳中方和南京理工大學(xué)張勝利等基于包含6300多種材料的2DMatPedia的二維材料數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了一個數(shù)據(jù)驅(qū)動框架，用于篩選具有內(nèi)在基面活性和電化學(xué)穩(wěn)定性的氧電催化二維材料。

該程序研究了1411種可以從其層狀體相中剝離的材料，發(fā)現(xiàn)有338種材料具有適當(dāng)?shù)膸逗土己玫碾姶呋瘜?dǎo)電性；其中，25種材料對ORR具有較高的活性，13種材料對OER催化劑具有高的活性，9種材料對ORR和OER具有雙功能特性。此外，研究人員利用巨正則密度泛函理論計(jì)算，揭示了這些二維材料在反應(yīng)條件下的穩(wěn)定性限制，并提出了利用理論溶解勢直接將二維材料的電化學(xué)穩(wěn)定性聯(lián)系起來。

通過結(jié)合溶解電位和水穩(wěn)定性分析，證明了24種ORR催化劑和2種OER催化劑在設(shè)計(jì)良好的水條件下可以顯著抑制溶解/氧化問題，比傳統(tǒng)的基準(zhǔn)Pt和IrO₂催化劑更具有優(yōu)勢。此外，通過計(jì)算揭示了溶解/氧化對基面穩(wěn)定性的實(shí)質(zhì)性影響，特別是在OER過程中，這很好地解釋了一些氧電催化劑的氧化物或氫氧化物的原位形成。

結(jié)果表明，僅從結(jié)構(gòu)、組成和活性的相關(guān)性角度來設(shè)計(jì)電催化劑是不夠的，必須明確考慮與活性部位溶解和腐蝕相關(guān)的電化學(xué)穩(wěn)定性問題，特別是對于OER電催化劑。綜上，該項(xiàng)工作為氧電催化二維材料的合成、電導(dǎo)率、催化性能和電化學(xué)穩(wěn)定性提供了深入的見解，并強(qiáng)調(diào)了二維電催化劑工程中可能存在的瓶頸和策略，同時該設(shè)計(jì)原理也可擴(kuò)展到其他重要反應(yīng)的電催化劑的設(shè)計(jì)中。

Data-Driven Pursuit of Electrochemically Stable 2D Materials with Basal Plane Activity toward Oxygen Electrocatalysis. Energy & Environmental Science, 2023. DOI: 10.1039/D3EE01723K

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