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黃世萍/陳中方/張勝利EES：二維材料數據庫結合理論計算，篩選電化學穩(wěn)定氧電催化二維材料

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

通過一個小的過電位驅動這些反應達到合理的電化學速率，從而提高能源效率，對于當前能源基礎設施的進一步發(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緩慢，大多數材料沒有表現出合適的活性。

目前，最活躍和應用最廣泛的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，北京化工大學黃世萍、美國波多黎各大學陳中方和南京理工大學張勝利等基于包含6300多種材料的2DMatPedia的二維材料數據庫，開發(fā)了一個數據驅動框架，用于篩選具有內在基面活性和電化學穩(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)現有338種材料具有適當的帶隙和良好的電催化導電性；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算，揭示了這些二維材料在反應條件下的穩(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穩(wěn)定性聯系起來。

通過結合溶解電位和水穩(wěn)定性分析，證明了24種ORR催化劑和2種OER催化劑在設計良好的水條件下可以顯著抑制溶解/氧化問題，比傳統的基準Pt和IrO₂催化劑更具有優(yōu)勢。此外，通過計算揭示了溶解/氧化對基面穩(wěn)定性的實質性影響，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。

結果表明，僅從結構、組成和活性的相關性角度來設計電催化劑是不夠的，必須明確考慮與活性部位溶解和腐蝕相關的電化學穩(wěn)定性問題，特別是對于OER電催化劑。綜上，該項工作為氧電催化二維材料的合成、電導率、催化性能和電化學穩(wěn)定性提供了深入的見解，并強調了二維電催化劑工程中可能存在的瓶頸和策略，同時該設計原理也可擴展到其他重要反應的電催化劑的設計中。

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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