共催化劑在光催化全面水分解（POWS）中具有重要意義。其中，Ni基共催化劑是替代Pt等代表性貴金屬的有吸引力的候選催化劑，但其穩(wěn)定性差、效率低。基于此，天津大學(xué)劉樂(lè)全副教授、日本國(guó)家材料研究所葉金花教授和中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所陳俊翔副研究員等人報(bào)道了包裹在氮摻雜超薄石墨烯（NC）層中的Ni納米顆粒是一種活性、穩(wěn)定和低成本的POWS共催化劑。結(jié)果表明，Ni@NC/SrTiO3（STO）的析氫速率約為Ni/STO的3.2倍，甚至優(yōu)于典型Pt共催化劑。

通過(guò)DFT計(jì)算，作者研究了Ni@NC石墨烯殼上的HER反應(yīng)。作者構(gòu)建了四種催化劑模型：Ni摻雜單層石墨烯（Ni@NC），Ni覆蓋單層石墨烯（Ni@C），裸Ni（Ni）和純C。 在DFT計(jì)算中，作者對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)上大約700個(gè)位點(diǎn)進(jìn)行了單點(diǎn)能量計(jì)算，并選擇吸附較強(qiáng)的位點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以確保覆蓋所有表面反應(yīng)活性位點(diǎn)。結(jié)果表明，活性位點(diǎn)的數(shù)量順序如下：Ni/STO＞Ni@NC/STO＞Ni@C/STO＞C/STO，除Ni/STO外，均符合實(shí)驗(yàn)活動(dòng)順序。

當(dāng)Ni被NC包封時(shí)，即在Ni@NC/STO中，O*和OH*的競(jìng)爭(zhēng)吸附較弱，保證了H*位點(diǎn)的實(shí)際利用，具有較高的活性。C/STO的平均ΔGH*值在1.2~1.5 eV內(nèi)，表明吸附較弱。當(dāng)Ni被引入或摻雜N時(shí)，表面產(chǎn)生了許多高活性位點(diǎn)，從而導(dǎo)致更強(qiáng)的吸附。 研究發(fā)現(xiàn)，N對(duì)活性位點(diǎn)的徑向分布函數(shù)明顯高于普通位點(diǎn)的平均值。N與活性位點(diǎn)的強(qiáng)相關(guān)性證實(shí)了活性位點(diǎn)位于N附近，即N的引入在統(tǒng)計(jì)上增加了活性位點(diǎn)的數(shù)量。

Ni Coated with N-doped Graphene Layer as Active and Stable H2 Evolution Cocatalysts for Photocatalytic Overall Water Splitting. ACS Catal., 2023, DOI: 10.1021/acscatal.3c03405.

華算科技是專業(yè)的理論計(jì)算與科研測(cè)試解決方案服務(wù)商，為高校和企業(yè)的科研團(tuán)隊(duì)提供材料、催化、能源、生物等領(lǐng)域的理論計(jì)算和測(cè)試表征解決方案。

華算科技已向國(guó)內(nèi)外600多家高校/科研單位提供了超過(guò)10000項(xiàng)理論計(jì)算和測(cè)試表征服務(wù)，部分團(tuán)隊(duì)研究成果已發(fā)表在Nature、Nature系列、Science子刊、AM系列、ACS系列、RSC系列、EES等國(guó)際頂級(jí)期刊。