高效！基于第一性原理的电化学模拟，找出15种有前途的催化剂！

将H+电催化还原成H2是基于氢燃料可再生能源技术的关键过程。在众多的影响因素中，催化剂的效率对于降低整体反应过电位和提高反应产率至关重要，Pt系金属是性能最好的催化剂，然而价格昂贵，难以作为大规模生产H2的催化剂。因此，在过去几年中，寻找可替代且含量丰富的催化剂引起了研究者巨大的研究兴趣。

近日，美国北德克萨斯大学Oliviero Andreussi教授在第一性原理模拟的基础上，采用精确的热力学计算方法研究了二维材料表面的催化性能。同时利用多方位连续嵌入式模型获取电化学环境对材料催化活性和稳定性的影响。相关论文以题为“Catalytic Activity and Stability of Two-Dimensional Materials forthe Hydrogen Evolution Reaction ”发表在ACS Energy Lett.上。

论文链接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b02689

实际上，受石墨烯和层状过渡金属卤化物的特殊化学和物理性质的影响，近年来研究者们投入了大量的努力来探索可替代的2D材料，并确定它们的催化性能。尤其是2D材料拥有更大的比表面积，能够进一步提升催化活性。已报道2D材料结构主要通过剥离层状3D固体材料，或者通过组合取代已知的二维晶体结构，虽然已经详细地了解它们的电子结构和物理特性，但它们在电催化中的应用仍然较少被报道。

这在一定程度上是由于电化学装置的建模所面临的挑战，电化学装置的多尺度性质使得完全原子化的第一性原理模拟对于系统研究是不切实际的。然而，随着连续溶剂化模型的最新发展，基于第一性原理的电化学模拟的精度有了很大的提高，特别是最近提出的溶剂和电化学扩散层的连续模型，能够利用一种有潜力的热力学方法去表征电化学界面的稳定性。采用的方法在计算上便宜，能够对大量候选材料进行催化效率的系统分析。

在本文中展示了一种基于第一性原理的电化学界面多尺度方法，用于计算筛选的二维（2D）材料析氢反应（HER）的催化效率。从计算生成的258种候选2D化合物的数据库开始，然后确定了15种有前途的HER催化剂，其中CoO2和FeS表现出最佳的性能和最高的稳定性。

图1. 材料催化效率的筛选过程

图2. 通过完整的筛选程序确定有前途的HER催化剂（绿色圆圈）

图3. 通过所有筛选步骤的15种化合物的稳定性与环境条件的关系

图4. CoO2和FeS侧面（A和C）和顶部（B和D）表面的H+吸附的最优位置（分别在O原子和S原子的顶部）

通过本文的研究发现，虽然大部分2D材料都显示出不错的催化效率，但CoO2和FeS被认为是最有希望代替Pt的HER催化剂，这两个单层材料都是由地球上丰富的元素组成的，同时在还原电位上表现出宽的稳定范围。此外，通过调节pH值，H+的过电位可以降低到接近于零。（文：Caspar）