結果簡介
用於氧還原和析氧反應（ORR OER）的高效電催化劑的計算機設計對於氫經濟的發展至關重要。 然而，由於難以評估材料在電化學條件下的催化效能，如活性和穩定性，實用的設計原則仍然相對缺乏。
在這裡，基於包含 6,300 多種材料的 2DMappedia 2D 材料資料庫，北京化工大學黃世平，南京理工大學張勝利陳忠芳，波多黎各大學等已經開發了乙個資料驅動的框架，用於發現對氧電催化具有電化學穩定性的潛在二維材料。
計算方法：
基於廣義梯度近似（GGA）中的Perdew Burke Ernzerhof（PBE）泛函，作者利用VASP進行自旋極化第一性原理計算，並將價電子擴充套件到動能截止值為400 eV的平面波。 能量的收斂閾值設定為 10 10 5，原子力的收斂閾值為20×10−2evå-1。作者使用 004*2 1 monkhorst pack k-point 網格對 Brillouin 區域進行取樣。 為了消除相鄰構象之間的週期性相互作用，作者在二維平面的垂直方向上設定了 15 的真空層。 作者使用Grimme等人的DFT-D3方法來描述范德華相互作用。
結果與討論
圖1 （a） 在材料資料庫中篩選分層階段。 （b-c） 根據元素（b）和晶體系統（c）的數量對層狀材料進行分類。
如圖1A所示，作者從2DMATPEDIA的開放計算資料庫中確定了可能的原型化合物。 作者專注於研究一元、二元、三元和四元系統，不包括具有純氣相（例如，O、I 和 Br）、原子序數超過 40 和含有放射性元素的材料（例如 TC、PM 和 PO-LR）的晶胞。
因此，作者確定了 2854 種層狀結構，包括 22 種非成員、728 種二元、1558 種三元和 546 種四元化合物（圖 1b）。 當根據空間群進一步分類為不同的晶體系統時（圖1C），大多數2D材料具有單斜晶系和斜方晶系，而不是2h（六邊形）和1t（三角形）構型。
圖2 （a）實驗中可用的層狀化合物和未實現的假設結構的分解分布。 （b） 20 種代表性二維材料的剝離能。 （c） 2854層狀材料的分解和剝離能的變化。 （d） 1411 種實驗上可行的 2D 材料的帶隙分布。
為了合理評估二維材料的相穩定性，作者建立了乙個通用基準，用於研究實驗可用的亞穩相和假設的、未觀察到的亞穩態化合物（圖2A）。 除了相穩定性外，剝離能量是評估二維材料機械剝離可行性的指標，因此，作者隨後研究了 20 個單層的剝離能量，以揭示機械剝離方法的侷限性（圖 2B）。
根據基準值（80 mEV Atom 代表分解能量，200 MeV Atom 代表剝離能量），作者將庫中的每種材料分為四個不同的類別（見圖 2C），分別用藍色、粉紅色、綠色和紫色表示。 在2854種二維材料中，只有1411種藍色區域的材料具有良好的相穩定性和機械剝離效能。 作者在GGA-PBE理論水平上研究了1411種實驗2D材料的能帶結構，以評估其電導率（圖2D）。 考慮到GGA傾向於低估帶隙，作者選擇了05EV帶隙閾值，超過該閾值後，只有339種化合物可以通過電導率篩選。
圖3 （a） 氧電催化的反應途徑。 （b h） 896個可能的活性位點的氧吸附能的總（b）和部分（c h）分布。
ORR OER可以通過催化劑表面的締合機制或解離途徑進行，作者描述了一種基於酸性電解質的反應途徑（見圖3A），因為ORR OER中涉及的中間體在酸性和鹼性環境中都是相同的。 在締合機理中，O2 H2O的吸附之後是加氫和脫氫步驟，產生一系列與催化劑表面結合的反應中間體。
根據催化劑的不同，雙電子和四電子途徑都是可能的。 過氧化氫 （H2O2） 用作雙電子途徑的產物，僅涉及一種反應中間體（ORR 為 OOH*，OER 為 OH*）。 四電子反應涉及 O*、Oh* 和 OOH* 反應中間體，產生 H2O 和 O2 分別用於 ORR 和 OER。 根據δ