析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）在燃料电池和电解池等技术中发挥着重要的作用。开发稳定、高效、成本低廉的电催化剂是当前面临的关键挑战之一。二维材料由于其大的表面积，理论上可以提供丰富的活性位点，为最大化催化活性提供了巨大的潜力。然而由于当前庞大的二维材料数量（超过5,500个晶体结构），系统全面地探索这些材料的合成潜力、催化导电性、反应活性和选择性，以及电化学稳定性仍然面临极大的困难。近日，北京化工大学黄世萍教授与美国波多黎各大学陈中方教授、南京理工大学张胜利教授等人合作，基于庞大的二维数据库平台2DMatPedia（http://2dmatpedia.org/），提出了一个数据驱动策略，并建立了普适性的设计原理，用于高通量筛选和发现具有本征基面活性和高电化学稳定性的潜在二维材料，以应用于ORR和OER。合成潜力分析识别了1411种可机械剥离的二维薄层材料，其中有338种表现出优异的导电性，具有潜在的电催化应用前景。此外，近50种材料在ORR/OER中表现出超过或与Pt/IrO2相当的催化活性和选择性。通过结合巨正则密度泛函理论计算（GC-DFT）和从头算的分子动力学模拟（AIMD），作者进一步研究了活性材料在反应条件下潜在的溶解和氧化过程。最终识别了20多种有望权衡活性和稳定性的高性能催化材料。研究成果发表在国际知名期刊《Energy & Environmental Science》。
ORR和OER是许多重要的电化学能源装置（如燃料电池和电解器）中的关键反应。其中ORR是燃料电池中阴极半反应过程，而OER通常作为电解池中的阳极反应，用于辅助生产高附加值的燃料和化学品（例如辅助CO2还原为多碳产品，N2还原为NH3，以及H2O转化为H2）。理想情况下，通过微小的过电位来驱动这些反应，实现合理的电化学速率，可以有效地提高能源效率，缓解当前能源框架下所面临的挑战。然而，由于催化剂表面缓慢的催化动力学，大多数已知材料的活性并不理想。目前，被广泛使用的ORR和OER催化剂分别是铂基金属材料和氧化铱。值得注意的是，即使是这些催化剂被证明具有优异的催化效率，但在水溶液条件下和高度氧化的电极电位下，活性点的溶解和氧化问题仍然是限制这类材料大规模应用的关键因素。解决这一问题的潜在策略包括：1. 优化和设计反应器；2. 在催化剂表面修饰保护性基团或包覆其他耐氧化材料；3. 设计可替代的廉价、稳定且高效的新催化剂体系。其中，设计可替代新催化剂体系是当前研究热点之一。
二维材料作为一种新兴的材料体系在能源催化方面具有潜在的应用价值。然而，大多数已知的层状材料在二维平面上并没有显示出明显的催化性能。人们普遍认为，活性的提高来自于不饱和的边缘位点。因此，很多策略被用来优化边缘活性，如掺杂和界面工程。但对于二维材料来说，边缘位点相对于二维平面（基面）而言只占很小比例，因此在边缘构建丰富的活性点是相当困难的。特别是随着层厚的减少，边缘位点与基面位的数量比会不断减少。因此，仅减少材料的厚度并不能极大地改善催化性能。理想情况下，我们可以把基面作为反应活性面，通过二维表面丰富的活性位点可以极大地提高材料的质量活性，从而提高整体的催化性能。通过调整表面的电子结构性质，二维基面也可以作为一个很好的构建平台用于调整整体性能。然而，当前已知的二维材料的组成是非常庞大的，目前已知的数据库中，有超过5500个层状化合物。要系统地评估它们在ORR和OER催化方面的催化性能非常具有挑战性。因此，当务之急是建立一个实用且通用的计算框架，以减小采样空间并加速筛选过程。
作者提出了一个通用的数据驱动框架，旨在探索二维材料基面用于催化ORR/OER的可行性。基于包含6351个晶体结构的2DMatPedia数据库，作者研究了近3000个一元、二元、三元和四元组分结构的合成潜力和导电性，并从中筛选出338个可剥离的高导电材料作为电化学反应的候选材料。通过系统的反应机理研究，作者确定了47种具有本征活性和选择性的二维材料。利用GC-DFT计算和AIMD模拟，作者系统地评估了这些活性催化剂在反应条件下的电化学稳定性。最终证明了24种ORR催化剂和2种OER催化剂在特定的水溶液条件下具有优异的性能，可与传统的Pt和IrO2的相媲美。特别地，AgHO2单层材料在碱性电解液中的ORR和OER过电位分别仅为0.06和0.09 V。此外，电化学稳定性分析揭示了溶解和氧化问题，在反应条件下特别是在OER过程中，对二维材料不容易忽视的影响。这很好地解释了为何ORR和OER催化剂很容易原位生成氧化物或氢氧化物。本工作结果表明，仅仅研究结构-组成-活性之间的关系来设计活性和稳定的电催化剂是不够的，还必须明确考虑活性位点溶解和腐蚀有关的电化学稳定性问题，特别是对于OER电催化剂。
总的来说，该工作不仅发展了一个通用的设计框架用于高通量筛选电催化剂材料，还提出了评估材料的电化学稳定性和可能解决方案的可行策略。相关的设计原理有望被扩展和应用到其他类型的催化反应过程中。除此以外，作者还揭示了位点结构和交换关联泛函的选择，以及反应环境对评估催化剂的催化性能的潜在影响。未来的研究可以使用精确的计算方法，如GC-DFT和恒电位反应动力学，来深入了解原位结构以及在反应电位下相应的反应机制，这对于解释催化起源并设计/发现更多的高效催化剂，特别是二维催化剂，具有重要意义。
郭翔宇博士（第一作者）
State Key Laboratory of Organic−Inorganic Composites, Beijing University of Chemical Technology;
Beijing Computational Science Research Center (CSRC);
Institute for Functional Intelligent Materials, National University of Singapore;
Bremen Center for Computational Materials Science, University of Bremen
张胜利教授（通讯作者）
MIIT Key Laboratory of Advanced Display Materials and Devices, Ministry of Industry and Information Technology, Institute of Optoelectronics & Nanomaterials, Nanjing University of Science and Technology
寇良志教授
School of Mechanical, Medical and Process Engineering, Queensland University of Technology
Chi Yung Yam教授
Beijing Computational Science Research Center (CSRC);
Shenzhen JL Computational Science and Applied Research Institute;
Shenzhen Institute for Advanced Study, University of Electronic Science and Technology of China
Thomas Frauenheim教授
Beijing Computational Science Research Center (CSRC);
Shenzhen JL Computational Science and Applied Research Institute;
School of Science, Constructor University
陈中方教授（通讯作者）
Department of Chemistry, University of Puerto Rico, Rio Piedras
黄世萍教授（通讯作者）
State Key Laboratory of Organic−Inorganic Composites, Beijing University of Chemical Technology
X. Guo, S. Zhang, L. Kou, C. Y. Yam, T. Frauenheim, Z. Chen and S. Huang, Data-Driven Pursuit of Electrochemically Stable 2D Materials with Basal Plane Activity toward Oxygen Electrocatalysis, Energy Environ. Sci., 2023, DOI: 10.1039/D3EE01723K.
文献链接：https://doi.org/10.1039/D3EE01723K
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