设计用于氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)的高活性电催化剂是能源转换和存储技术中的一个重要挑战。
有鉴于此，加拿大西安大略大学的Chandra Veer Singh、武汉大学张晓星教授、汤俊等人，基于对23种过渡金属（TM）的掺杂进行的计算筛选，使用第一性原理研究来探索TM–N4嵌入的碳化黑磷单分子层（b-PC）的ORR和OER活性。
本文要点
1）受吡啶类和吡咯类TM-N4配位的大量使用以及b-PC在气体吸附和分离方面的出色性能的启发，将TM-N4引入b-PC中，用作ORR/OER的SAC。选择了23个TM-N4结构嵌入b-PC单层来计算ORR/OER活性。具体来说，通过去除4个P原子和2个C原子，创建了几种TM-N4掺杂的b-PC结构。
2）通过计算ORR/OER的超电势，探索了对改性b-PC的催化活性。为了讨论ORR/OER性能与掺杂类型之间的关系，考虑了d电子数量，价电子数量和d带中心等参数，为新型催化剂的设计程序提供了线索。结果表明，它的催化性能很大程度上取决于d轨道的电子数和所引入的TM原子的价电子数。
3）选择了最佳的候选ORR/OER来讨论详细的反应图以及它们的稳定性。发现Co-N4-bPC（ηORR= 0.31 V;ηOER= 0.22 V），Rh–N4-bPC（ηORR= 0.33 V;ηOER= 0.62 V）和Ir–N4-bPC（ηORR= 0.21 V ;ηOER= 0.21 V）可以作为ORR和OER的双功能催化剂，并且在过电位方面可与TM-N4-石墨烯媲美或优于后者。它们在500 K时不会发生结构变形。此外，b-PC的剥离能低于石墨烯，这三种候选材料的形成能远低于TM–N4–石墨烯。
总之，该工作为设计和开发石墨烯以外的高性能二维材料单原子催化剂(SACs)提供了一种新的方法。
参考文献：
Dachang Chen et al. Transition metal–N4 embedded black phosphorus carbide as a high-performance bifunctional electrocatalyst for ORR/OER. Nanoscale, 2020.
DOI: 10.1039/D0NR03339A
https://doi.org/10.1039/D0NR03339A