科学指南针-HER描述符汇总(四)
化石燃料消耗和环境问题，促使人们探索环境友好和可持续的能源，作为绿色的替代品。其中，氢气具有高能量密度和零CO2排放，被认为是一种优异的绿色能源。近来，电解水制氢反应（HER），是产生高纯度氢气的一种有效方法，引起了越来越多的关注。
HER，同样需要高效稳定的催化剂，以往的实验研究方法缺乏普适通用性，因此，亟需一种可以指导催化剂的合成设计原则，至此，描述符应运而生。
描述符，到底有什么神奇之处？让大家趋之若鹜。此前，已经连续推出了三期有关HER的描述符，大家学习得怎么样呢？今天，最新一期又来了哦！
1.Nature Communications: 统一离子电负性描述符—统一离子电负性描述符筛选高活性钙钛矿用于析氢反应
简单可靠地筛选经济、高效、可扩展的电催化剂，是水裂解等能量转换技术的关键。ABO3-δ钙钛矿具有丰富的组成和结构，但从未被用于临界析氢反应(HER)。
在此，来自南京工业大学的Wei Zhou & Zongping Shao等人，应用配位理论引入A-位离子电负性(AIE)，作为预测13种钴基钙钛矿HER活性的有效描述符。与A-位结构或热力学参数相比，AIE赋予了HER活性最好的火山趋势。(Gd0.5La0.5)BaCo2O5.5+δ的AIE值为~2.33，在电极活性和稳定性方面超过了最先进的Pt/C催化剂。X射线吸收和计算研究表明，在钙钛矿结构(~200 nm深度)中，中等AIE值~2.33时HER活性峰值可通过诱导效应与活性B-位的最佳电子态相关，包括Co价态、Co-O键共价态、能带隙和O 2p带位。
参考文献：
Guan, D., Zhou, J., Huang, YC. et al. Screening highly active perovskites for hydrogen-evolving reaction via unifying ionic electronegativity descriptor. Nat Commun 10, 3755 (2019).
https://doi.org/10.1038/s41467-019-11847-w
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-11847-w#citeas
2.npj Computational Materials：前沿轨道—数据驱动发现的光电和光催化应用共轭聚电解质
共轭聚电解质(CPEss)是一种用途广泛的有机材料，由共轭骨架和垂向离子功能组成。然而，无数可能的CPEss分子结构，使得传统的试错材料发现策略不现实。
在此，来自美国加州州立大学北岭分校的Gang Lu等人，通过将机器学习与高通量第一性原理计算结合起来，使用以数据为中心的方法来解决这个问题。研究者系统地研究了CPEs的关键材料性能如何依赖于单个结构部件，以及结构-性能关系是如何建立的。通过机器学习，研究者发现了对CPEs属性至关重要的结构特征，然后将这些特征用作机器学习中的描述符，以预测未知CPEs的属性。最后，研究者发现CPEs可以作为卤化物钙钛矿型光电器件的空穴传输材料和水裂解的光催化剂。该工作可以加速发现在光电和光催化方面应用的CPEs。
参考文献：
Wan, Y., Ramirez, F., Zhang, X. et al. Data driven discovery of conjugated polyelectrolytes for optoelectronic and photocatalytic applications. npj Comput Mater 7, 69 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41524-021-00541-5
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41524-021-00541-5#citeas
3.JMCA：活性位和邻近原子的电负性及距离—单原子催化剂析氢反应有效描述符的合理设计
电催化析氢反应(HER)是未来可再生和清洁能源技术的关键。然而，高效筛选低成本、高活性催化剂，仍然是一个巨大的挑战。此文中，来自山东大学的Shi-Bo Cheng等人，基于AX (A = Al, Ga, In, Tl；X = S和Se)、BX2 (B = Mo和W)和ZrS2单层底物，提出了控制单原子催化剂(SACs)电催化HER活性的高效指导原则。
结果表明，SACs对HER的催化性能与活性中心及其邻近原子的电负性以及它们之间的距离密切相关。该描述符可用于确定HER的SACs活性，其广义原理可以帮助预测和设计高效的电化学催化剂的氢生成。更重要的是，仅从材料的初始结构中获取识别的描述符，而不考虑HER中涉及的其他复杂过程，有利于更方便、快速地筛选催化剂。该描述符的可靠性已被100多个实例证明，在构建高效低成本的SACs方面具有潜在的理论和实验应用价值。
参考文献：
Hai-Cai Huang et. al., Rational design of an efficient descriptor for single-atom catalysts in the hydrogen evolution reaction, J. Mater. Chem. A, 2020,8, 9202-9208.
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.6b01211
4.Nanoscale：旋转角度、键长、层间距离和两组分材料的带隙比—利用简单方程设计高性能MoS2边缘支撑单金属原子双功能催化剂用于整体水裂解
MoS2边缘具有良好的析氢反应(HER)活性，但析氧反应(OER)活性较差。开发用于HER和OER的MoS2边缘负载单原子催化剂(SACs)是全面水裂解的关键。
在此，来自北京化工大学的Daojian Cheng等人，为了激发OER性能和保持HER性能，利用密度泛函理论(DFT)计算，筛选出了28个单过渡金属(TM)负载在MoS2边缘上的SACs，可作为双功能电催化剂用于整体水裂解。为了设计和实现更高的OER性能，研究者利用一个简单的方程作为结构描述符来预测基于MoS2的SACs的OER活性。其中，以Pt单原子修饰的T1-空位终止的氢/氧析氢反应理论过电位最低，分别为0.10/0.46 V，可与贵金属基基准催化剂的整体水裂解反应相比拟。该研究结果可望为简化和指导高效电催化材料的设计提供理论依据。
参考文献：
Xiaopei Xu et. al., Design of high-performance MoS2 edge supported single-metal atom bifunctional catalysts for overall water splitting via a simple equation Nanoscale, 2019,11, 20228-20237 DOI：
https://doi.org/10.1039/C9NR06083A
原文链接：
https://pubs.rsc.org/ko/content/articlelanding/2019/nr/c9nr06083a#!divAbstract
5.JMCA：表面终端O-p轨道中心(εp)—深入了解MAX对MXenes的剥离特性和2D MXenes的析氢性能
电催化水裂解制氢将成为替代传统化石能源的可持续发展方式。寻找贵金属(铂、钯和Ir)的替代品用于水分解制氢，是可再生能源领域的核心问题之一。二维金属碳化物和氮化物(MXenes)材料，已显示出一些有前途的析氢反应(HER)催化剂的特性。
在此，来自哈尔滨大学的Yan Song & Yumin Zhang等人，通过密度泛函计算系统地探索了50多个MAX相的剥离性质和30个MXenes的HER性能，以寻找MXenes的HER性能的通用描述符。对MAXs的剥离性能进行了研究结果表明，对于大多数MAXs, A元素结合能越低，MXenes的剥离能越高。得到的剥脱能临界值为0.253 eV Å-2，当剥脱能低于此值时，最大剥脱能有利于剥脱。为了预测MXenes的HER性能，文献中提出了Ne和Ef两个描述符。目前的计算表明，这两个参数不能完全解决氢气覆盖对MXenes吸附氢的吉布斯自由能(ΔGH*)的影响。
Ne和Ef均与MXenes底物的表面终端O-p轨道中心(εp)有关，εp越低，Ne和Ef越大，O*与MXenes底物的相互作用越强。然而，εp过大或过小对HER均不利。这些结果表明，表面端接O-p轨道中心εp可以作为预测MXenes HER性能的良好描述子。εp最佳值为4.1 ~ 3.3 eV, Ne和Ef分别为0.93 ~ 1.15 e和3.15 ~ 3.78 eV， ΔGH*为0.3 ~ 0.3 eV。对10 M2CO2的HER过程的能量变化(Volmer Heyrovsky和Volmer Tafel机理)以及Mo2CO2和Zr2CO2的最小能量路径的结果表明，具有适中εp的MXenes具有最佳的HER性能。
参考文献：
Yuwen Cheng et. al., Deep insights into the exfoliation properties of MAX to MXenes and the hydrogen evolution performances of 2D MXenes, J. Mater. Chem. A, 2019,7, 15862-15870.
https://doi.org/10.1039/C9TA03859K.
原文链接：
https://pubs.rsc.org/ko/content/articlelanding/2019/ta/c9ta03859k#!divAbstract
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