化石燃料消耗和環(huán)境問題，促使人們探索環(huán)境友好和可持續(xù)的能源，作為綠色的替代品。其中，氫氣具有高能量密度和零CO2排放，被認(rèn)為是一種優(yōu)異的綠色能源。近來，電解水制氫反應(yīng)（HER），是產(chǎn)生高純度氫氣的一種有效方法，引起了越來越多的關(guān)注。

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HER，同樣需要高效穩(wěn)定的催化劑，以往的實(shí)驗(yàn)研究方法缺乏普適通用性，因此，亟需一種可以指導(dǎo)催化劑的合成設(shè)計(jì)原則，至此，描述符應(yīng)運(yùn)而生。

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描述符，到底有什么神奇之處？讓大家趨之若鶩。此前，已經(jīng)連續(xù)推出了三期有關(guān)HER的描述符，大家學(xué)習(xí)得怎么樣呢？今天，最新一期又來了哦！

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1.Nature Communications: 統(tǒng)一離子電負(fù)性描述符—統(tǒng)一離子電負(fù)性描述符篩選高活性鈣鈦礦用于析氫反應(yīng)

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簡(jiǎn)單可靠地篩選經(jīng)濟(jì)、高效、可擴(kuò)展的電催化劑，是水裂解等能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的關(guān)鍵。ABO3-δ鈣鈦礦具有豐富的組成和結(jié)構(gòu)，但從未被用于臨界析氫反應(yīng)(HER)。

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在此，來自南京工業(yè)大學(xué)的Wei Zhou & Zongping Shao等人，應(yīng)用配位理論引入A-位離子電負(fù)性(AIE)，作為預(yù)測(cè)13種鈷基鈣鈦礦HER活性的有效描述符。與A-位結(jié)構(gòu)或熱力學(xué)參數(shù)相比，AIE賦予了HER活性最好的火山趨勢(shì)。(Gd0.5La0.5)BaCo2O5.5+δ的AIE值為~2.33，在電極活性和穩(wěn)定性方面超過了最先進(jìn)的Pt/C催化劑。X射線吸收和計(jì)算研究表明，在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(~200 nm深度)中，中等AIE值~2.33時(shí)HER活性峰值可通過誘導(dǎo)效應(yīng)與活性B-位的最佳電子態(tài)相關(guān)，包括Co價(jià)態(tài)、Co-O鍵共價(jià)態(tài)、能帶隙和O 2p帶位。

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參考文獻(xiàn)：

Guan, D., Zhou, J., Huang, YC. et al. Screening highly active perovskites for hydrogen-evolving reaction via unifying ionic electronegativity descriptor.?Nat Commun?10, 3755 (2019).

https://doi.org/10.1038/s41467-019-11847-w

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原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-11847-w#citeas

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2.npj Computational Materials：前沿軌道—數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)發(fā)現(xiàn)的光電和光催化應(yīng)用共軛聚電解質(zhì)

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共軛聚電解質(zhì)(CPEss)是一種用途廣泛的有機(jī)材料，由共軛骨架和垂向離子功能組成。然而，無數(shù)可能的CPEss分子結(jié)構(gòu)，使得傳統(tǒng)的試錯(cuò)材料發(fā)現(xiàn)策略不現(xiàn)實(shí)。

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在此，來自美國加州州立大學(xué)北嶺分校的Gang Lu等人，通過將機(jī)器學(xué)習(xí)與高通量第一性原理計(jì)算結(jié)合起來，使用以數(shù)據(jù)為中心的方法來解決這個(gè)問題。研究者系統(tǒng)地研究了CPEs的關(guān)鍵材料性能如何依賴于單個(gè)結(jié)構(gòu)部件，以及結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系是如何建立的。通過機(jī)器學(xué)習(xí)，研究者發(fā)現(xiàn)了對(duì)CPEs屬性至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)特征，然后將這些特征用作機(jī)器學(xué)習(xí)中的描述符，以預(yù)測(cè)未知CPEs的屬性。最后，研究者發(fā)現(xiàn)CPEs可以作為鹵化物鈣鈦礦型光電器件的空穴傳輸材料和水裂解的光催化劑。該工作可以加速發(fā)現(xiàn)在光電和光催化方面應(yīng)用的CPEs。

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參考文獻(xiàn)：

Wan, Y., Ramirez, F., Zhang, X. et al. Data driven discovery of conjugated polyelectrolytes for optoelectronic and photocatalytic applications.?npj Comput Mater?7, 69 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41524-021-00541-5

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原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41524-021-00541-5#citeas

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3.JMCA：活性位和鄰近原子的電負(fù)性及距離—單原子催化劑析氫反應(yīng)有效描述符的合理設(shè)計(jì)

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電催化析氫反應(yīng)(HER)是未來可再生和清潔能源技術(shù)的關(guān)鍵。然而，高效篩選低成本、高活性催化劑，仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。此文中，來自山東大學(xué)的Shi-Bo Cheng等人，基于AX (A = Al, Ga, In, Tl；X = S和Se)、BX2?(B = Mo和W)和ZrS2單層底物，提出了控制單原子催化劑(SACs)電催化HER活性的高效指導(dǎo)原則。

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結(jié)果表明，SACs對(duì)HER的催化性能與活性中心及其鄰近原子的電負(fù)性以及它們之間的距離密切相關(guān)。該描述符可用于確定HER的SACs活性，其廣義原理可以幫助預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)高效的電化學(xué)催化劑的氫生成。更重要的是，僅從材料的初始結(jié)構(gòu)中獲取識(shí)別的描述符，而不考慮HER中涉及的其他復(fù)雜過程，有利于更方便、快速地篩選催化劑。該描述符的可靠性已被100多個(gè)實(shí)例證明，在構(gòu)建高效低成本的SACs方面具有潛在的理論和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用價(jià)值。

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參考文獻(xiàn)：

Hai-Cai Huang et. al., Rational design of an efficient descriptor for single-atom catalysts in the hydrogen evolution reaction,?J. Mater. Chem. A,?2020,8, 9202-9208.

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原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.6b01211

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4.Nanoscale：旋轉(zhuǎn)角度、鍵長(zhǎng)、層間距離和兩組分材料的帶隙比—利用簡(jiǎn)單方程設(shè)計(jì)高性能MoS2邊緣支撐單金屬原子雙功能催化劑用于整體水裂解

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MoS2邊緣具有良好的析氫反應(yīng)(HER)活性，但析氧反應(yīng)(OER)活性較差。開發(fā)用于HER和OER的MoS2邊緣負(fù)載單原子催化劑(SACs)是全面水裂解的關(guān)鍵。

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在此，來自北京化工大學(xué)的Daojian Cheng等人，為了激發(fā)OER性能和保持HER性能，利用密度泛函理論(DFT)計(jì)算，篩選出了28個(gè)單過渡金屬(TM)負(fù)載在MoS2邊緣上的SACs，可作為雙功能電催化劑用于整體水裂解。為了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)更高的OER性能，研究者利用一個(gè)簡(jiǎn)單的方程作為結(jié)構(gòu)描述符來預(yù)測(cè)基于MoS2的SACs的OER活性。其中，以Pt單原子修飾的T1-空位終止的氫/氧析氫反應(yīng)理論過電位最低，分別為0.10/0.46 V，可與貴金屬基基準(zhǔn)催化劑的整體水裂解反應(yīng)相比擬。該研究結(jié)果可望為簡(jiǎn)化和指導(dǎo)高效電催化材料的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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參考文獻(xiàn)：

Xiaopei Xu et. al., Design of high-performance MoS2 edge supported single-metal atom bifunctional catalysts for overall water splitting via a simple equation?Nanoscale,?2019,11, 20228-20237 DOI：

https://doi.org/10.1039/C9NR06083A

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原文鏈接：

https://pubs.rsc.org/ko/content/articlelanding/2019/nr/c9nr06083a#!divAbstract

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5.JMCA：表面終端O-p軌道中心(εp)—深入了解MAX對(duì)MXenes的剝離特性和2D MXenes的析氫性能

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電催化水裂解制氫將成為替代傳統(tǒng)化石能源的可持續(xù)發(fā)展方式。尋找貴金屬(鉑、鈀和Ir)的替代品用于水分解制氫，是可再生能源領(lǐng)域的核心問題之一。二維金屬碳化物和氮化物(MXenes)材料，已顯示出一些有前途的析氫反應(yīng)(HER)催化劑的特性。

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在此，來自哈爾濱大學(xué)的Yan Song & Yumin Zhang等人，通過密度泛函計(jì)算系統(tǒng)地探索了50多個(gè)MAX相的剝離性質(zhì)和30個(gè)MXenes的HER性能，以尋找MXenes的HER性能的通用描述符。對(duì)MAXs的剝離性能進(jìn)行了研究結(jié)果表明，對(duì)于大多數(shù)MAXs, A元素結(jié)合能越低，MXenes的剝離能越高。得到的剝脫能臨界值為0.253 eV ?-2，當(dāng)剝脫能低于此值時(shí)，最大剝脫能有利于剝脫。為了預(yù)測(cè)MXenes的HER性能，文獻(xiàn)中提出了Ne和Ef兩個(gè)描述符。目前的計(jì)算表明，這兩個(gè)參數(shù)不能完全解決氫氣覆蓋對(duì)MXenes吸附氫的吉布斯自由能(ΔGH*)的影響。

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Ne和Ef均與MXenes底物的表面終端O-p軌道中心(εp)有關(guān)，εp越低，Ne和Ef越大，O*與MXenes底物的相互作用越強(qiáng)。然而，εp過大或過小對(duì)HER均不利。這些結(jié)果表明，表面端接O-p軌道中心εp可以作為預(yù)測(cè)MXenes HER性能的良好描述子。εp最佳值為4.1 ~ 3.3 eV, Ne和Ef分別為0.93 ~ 1.15 e和3.15 ~ 3.78 eV， ΔGH*為0.3 ~ 0.3 eV。對(duì)10 M2CO2的HER過程的能量變化(Volmer Heyrovsky和Volmer Tafel機(jī)理)以及Mo2CO2和Zr2CO2的最小能量路徑的結(jié)果表明，具有適中εp的MXenes具有最佳的HER性能。

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參考文獻(xiàn)：

Yuwen Cheng et. al., Deep insights into the exfoliation properties of MAX to MXenes and the hydrogen evolution performances of 2D MXenes,?J. Mater. Chem. A, 2019,7, 15862-15870.

https://doi.org/10.1039/C9TA03859K.

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原文鏈接：

https://pubs.rsc.org/ko/content/articlelanding/2019/ta/c9ta03859k#!divAbstract

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