單原子催化劑具有結(jié)構(gòu)和活性可調(diào)的特點(diǎn)，在能源和環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注。

基于此，中國科技大學(xué)江俊教授，王嵩副研究員（共同通訊作者）等人報道了對二維石墨烯和電子化物異質(zhì)結(jié)上的單原子催化的第一性原理研究。電子化物層中的陰離子電子氣使大量的電子轉(zhuǎn)移到石墨烯層，轉(zhuǎn)移的程度可通過選擇電子化物來控制。

電荷轉(zhuǎn)移調(diào)節(jié)了單個金屬原子的d軌道電子占據(jù)，提高了析氫反應(yīng)（HER）和氧還原反應(yīng)（OER）的催化活性。

由于該電子化物/石墨烯二維異質(zhì)結(jié)具有良好的穩(wěn)定性和選擇性，可以通過嵌入不同的電子化物和過渡金屬來有效地調(diào)節(jié)HER和ORR的吉布斯自由能。

特別是Cr-Gr-Ca₂N、Ni-Gr-Ca₂N、Ti-Gr-Y₂C和Mn-Gr-Y₂C是具有較低ΔG_H值（小于-0.09 eV）的HER電催化劑。

同時，F(xiàn)e-Gr-Y₂C、Co-Gr-Ca₂N、Co-Gr-Y₂C和Rh-Gr-Ca₂N具有較低的過電勢（分別為0.52、0.34、0.44和0.45 V），可作為ORR電催化劑。

本文還證明了電荷變化（Δq）和吸附能（E_ads）之間幾乎呈線性關(guān)系，表明界面電荷轉(zhuǎn)移是此類異質(zhì)結(jié)的關(guān)鍵描述符。此外，多項式回歸算法驗證了界面電荷轉(zhuǎn)移的重要性，并準(zhǔn)確預(yù)測了離子和分子的吸附能。

這是首次使用二維電子化物底物向單原子催化劑提供電荷轉(zhuǎn)移的設(shè)計，從而在催化位點(diǎn)引起平面外（垂直于表面）電荷極化，為利用二維異質(zhì)結(jié)獲得高效的單原子催化劑提供了一種策略。

Interlayer Charge Transfer Regulates Single-Atom Catalytic Activity on Electride/Graphene 2D Heterojunctions.?J. Am. Chem. Soc.,?2023, DOI: 10.1021/jacs.2c13596.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c13596.