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黃世萍/陳中方/張勝利EES：二維材料數(shù)據(jù)庫(kù)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(yáng)極反應(yīng)幫助產(chǎn)生有價(jià)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(gè)小的過電位驅(qū)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(huì)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(guó)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(kù)，開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(duì)ORR具有較高的活性，13種材料對(duì)OER催化劑具有高的活性，9種材料對(duì)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(shì)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(shì)。此外，通過計(jì)算揭示了溶解/氧化對(duì)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(duì)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(shí)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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