催化位點微環(huán)境調(diào)控工程是目前研究原子催化中最活躍的新領(lǐng)域，由于活性位點物理化學(xué)性質(zhì)受到其配位微環(huán)境的影響，且該影響會進一步反應(yīng)到催化過程中活性位點動態(tài)變化和對中間體吸附行為變化，從而是的催化劑具有不同的催化穩(wěn)定性、活性及選擇性。如何利用配位微環(huán)境調(diào)控使得不同的催化位點結(jié)合不同的配位環(huán)境，從而實現(xiàn)其獨特的電子結(jié)構(gòu)和最大的催化效率，引起了廣泛的研究興趣。

目前單原子催化位點的配位微環(huán)境調(diào)控研究取得了很多突破性的成果，但其主要的配位環(huán)境調(diào)控集中在-C_xN_y、-C_xO_y、-C_xS_y等二元非金屬配位，而三元非金屬配位環(huán)境的研究還沒有詳細系統(tǒng)的研究，同時對于不同配位環(huán)境下不同單原子的穩(wěn)定性、活性和選擇性同時進行探討也很少進行系統(tǒng)的報道。基于此，孔佑超博士、何天威副教授等運用第一性原理計算方法對此類三元非金屬配位不同金屬位點的穩(wěn)定性、催化活性和選擇性進行系統(tǒng)深入的理論研究，并給出了實驗上合成該配位環(huán)境下單原子催化劑的策略和方法。

圖文解析

圖1. 不同單原子在不同配位環(huán)境下結(jié)合能/形成能一般描述符，其中，E_f表示單個TM原子在BCN上的形成能，φ為描述因子，χ_TM表示TM原子的電負性，χ_i表示TM配位的B、C或N原子的電負性。

圖2. 20種-B_xC_yN_z配位環(huán)境下20個不同過渡金屬單原子的穩(wěn)定性、金屬形成能和電化學(xué)溶解勢關(guān)系。其中，形成能越負，溶解電位越正，表明體系穩(wěn)定性越好。

圖3. ?a)基于BCN的SAC的OER和ORR的火山圖。(b)-(d)獲得的催化活性火山圖以及OER和ORR的描述符。

總結(jié)與展望

在這項工作中，我們利用高通量密度泛函理論(DFT)計算，對分布在二維-BCN納米結(jié)構(gòu)中20種不同配位環(huán)境下的20種TM-SAC的結(jié)構(gòu)-催化性能關(guān)系進行了全面的研究。基于TM元素的內(nèi)在物理化學(xué)性質(zhì)開發(fā)了一種通用的描述符，從而找到了最穩(wěn)定的TM-BCN SACs，為未來合成SA修飾的BCN納米片開辟了一條新的理論方法。最重要的是，我們深入探討了400種不同組合的配位環(huán)境對TM-SA催化位點d帶中心的影響，發(fā)現(xiàn)*O和*OOH的結(jié)合能可以作為描述因子來篩選出最活躍的OER和ORR雙功能SA-BCN電催化劑。上述計算描述因子不僅可以加快TM-BCN SACs的研究進程，而且可以促進其它基于SA的電催化體系的實驗設(shè)計。

通訊作者簡介

何天威副教授簡介：博士，副教授，碩士生導(dǎo)師。2020年博士畢業(yè)于澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)（QUT）材料化學(xué)物理系，2020-2022年分別在澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)、澳門大學(xué)和德國馬普-弗利茨-哈伯研究所（FHI）從事博士后研究。主要研究方向為新能源材料領(lǐng)域光電催化劑的理論設(shè)計、高通量計算模擬、機器學(xué)習(xí)以及實驗等。近5年在國際著名期刊上發(fā)表40余篇研究論文，其中以第一或通訊作者在Chem. Soc. Rev., JACS, AM, AEM, Small等頂級期刊發(fā)表SCI論文25篇，9篇入選ESI 1%高被引論文，總引用次數(shù)2400余次，H因子為27。擔(dān)任Materials Today Energy (IF=9.25)青年編委，F(xiàn)rontiers in Chemistry (IF=5.545)客座主編，長期受邀為Nat. Comm., Small, ACS AMI, ASS等期刊審稿人。

孔佑超博士簡介：博士，鹽城師范學(xué)院講師。2021年博士畢業(yè)于澳門大學(xué)應(yīng)用物理及材料工程研究院。主要研究方向為半導(dǎo)體材料理論設(shè)計、高通量計算模擬、機器學(xué)習(xí)等。近5年以第一或通訊作者在Small，J. Mater. Chem. A,ChemSusChem, ACS Appl. Nano Mater., J. Mater. Chem. C，Appl. Surf. Sci.等期刊發(fā)表多篇SCI論文。

文獻來源

“Rational Modulation of Single Atom Coordination Microenvironments in a BCN Monolayer for Multifunctional Electrocatalysis”. Tianwei He,* Youchao Kong,* Tong Zhou, Jin Zhang, Alain R. Puente Santiago,*Aijun Du, Rafael Luque, and Qingju Liu*. Small 2023, 23024.

文獻鏈接：?

https://doi.org/10.1002/smll.202302429