曹达鹏教授、许昊翔副教授，JMCA：高通量筛选高稳定性的氮掺杂石墨烯负载双原子催化剂

第一作者：李丹阳

通讯作者：曹达鹏*，许昊翔*

单位：北京化工大学

由于相邻的配位-不饱和金属活性位点以及原子间的协同效应，原子分散的双原子催化剂（BACs）在部分催化反应（特别是电催化反应）中表现出显著的催化性能。然而，由于现有的大多数双原子催化剂制备方法合成的活性位点不均一，还包含单原子、团簇等，难以预估是否精准形成双原子位点。

而且，到目前为止，多数研究主要集中在对BACs催化反应活性的研究，缺少对不同环境中BACs稳定性的理论研究。因此，筛选热力学稳定的BACs对于实验合成新材料具有重要的指导意义。

基于此，来自北京化工大学的曹达鹏教授以及许昊翔副教授，在知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Fast identification of the stability of atomically dispersed bi-atom catalysts using a structure descriptor-based model”的文章。

该工作系统研究了氮掺杂石墨烯负载的双原子催化剂对形成孤立的单原子位点、聚集成颗粒以及电化学溶解的热力学倾向性。同时，基于由金属原子的物理性质（如：价电子数、电负性等）组成的结构描述符，构建了BACs 结构-稳定性关系的预测模型，这将为针对不同电催化反应快速识别高稳定性BACs提供一种新途径。

利用密度泛函理论，以氮掺杂石墨烯为基体，构建了335种双原子模型（M₁M₂-NC）。首先，通过以3d-3d M₁M₂-NC为探针比较5种配位结构的抗单原子形成稳定性，筛选出结构2和结构4两种稳定性较高的配位结构。以此为基础，通过计算双原子位点的金属原子化学势，对BACs抗单原子位点形成以及抗金属团聚的热力学稳定性进行研究，筛选出191种既能抗形成单原子又抗金属团聚的双原子模型。

要点二：筛选3种电催化反应环境中电化学溶解稳定性的BACs

当BACs作为电催化反应的催化剂时，由于外加电压的存在，BACs的金属原子可能会溶出，进而导致BACs的活性位点被破坏。因此，我们通过计算BACs的溶解电位，并基于商业催化剂在ORR、OER和HER中的理论工作电位，评估了BACs在这3种电催化反应中的电化学稳定性。由于HER 的工作电位较低，所计算的BACs 在此环境下均是稳定的。

此外，对于OER，当 pH=0 时，只有 2Pt-NC-2 和 PtPd-NC-2 在商业 OER 催化剂的工作电位下是稳定的；当pH=14时，除2Pt-NC-2 和 PtPd-NC-2之外，RhPt-NC-2 和 AgPt-NC-2 在其的工作电位下对于电化学溶解也很稳定。而对于ORR，当pH=0 时，大约 101 种 的BACs在ORR工作电位下是稳定的；当pH=14时，则大约 137 种BACs在ORR工作电位下是稳定的。

要点三：构建结构描述符并建立构效关系

根据金属原子现成的物理性质（如：价电子数、电负性等），我们分别构建了描述符φBAC、φagg和φdis，并建了描述符-稳定性关系的预测模型，以快速评估BACs配位结构4的三种热力学稳定性（抗单原子形成、抗团聚、抗电化学溶解），部分预测结果已通过现有实验结果得到了验证。该预测模型可以作为一个通用方法，筛选高稳定以及设计适用于不同电催化反应（包括 ORR、OER 和 HER）的BACs。

Fast identification of the stability of atomically dispersed bi-atom catalysts using a structure descriptor-based model

Journal of Materials Chemistry A, 2022, DOI: https://doi.org/10.1039/D1TA08780K

2002年获得北京化工大学博士学位，现担任分子与材料模拟实验室主任，主要从事化工纳微材料（包括能源催化材料、荧光探针材料以及吸附分离材料）的多尺度模拟以及实验研究。

许昊翔 副教授

2019年获得北京化工大学博士学位，现担任北京化工大学副教授，主要从金属纳微催化剂开发及材料设计的理论计算研究。

李丹阳

北京化工大学博士研究生，师从曹达鹏教授，主要研究方向是电催化材料理论计算。

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