本研究由丹麦技术大学（Technical University of Denmark）物理系的Ankit Jain、Zhenbin Wang和Jens K. Nørskov团队完成，成果发表于2019年5月22日的《ACS Energy Letters》期刊，标题为《Stable Two-Dimensional Materials for Oxygen Reduction and Oxygen Evolution Reactions》。

学术背景

氧还原反应（ORR, Oxygen Reduction Reaction）和氧析出反应（OER, Oxygen Evolution Reaction）是电化学能源转换中的核心半反应。ORR是燃料电池中将氢气转化为电能的关键阴极反应，而OER是电解水制氢或二氧化碳还原等反应的阳极过程。目前，这两种反应的高效催化剂仍依赖贵金属（如铂和氧化铱），但其高昂成本和低稳定性限制了大规模应用。二维材料（2D materials）因其独特的电子结构和表面特性成为潜在替代催化剂，但强酸性、高氧化电位的工作环境对材料稳定性提出严峻挑战。本研究旨在通过高通量计算筛选，从超过11,000种预测的二维材料中识别出在ORR/OER苛刻条件下仍能保持稳定的候选材料。

研究流程

1. 数据来源与筛选标准
   研究团队整合了三大公开数据库：C2DB（3,712种材料）、MaterialsCloud（1,036种）和2DMatPedia（6,349种），总计超过11,000种二维材料。筛选分为多阶段：

   • 初始稳定性筛选：通过密度泛函理论（DFT）计算材料的凸包稳定性（convex hull stability, ΔEhull ≤ 0.15 eV/atom），排除热力学不稳定的材料。
     
   • 酸性环境稳定性：模拟pH=1的强酸性条件，ORR和OER分别设定氧化电位为0.9 V和1.5 V，计算材料在水溶液中的分解自由能（ΔGaq）。
     
   • 元素过滤：排除含贵金属（如Pt、Au）和有毒元素（如Hg、As）的材料，以及镧系和锕系元素。
     
   • 实验验证参考：结合文献[8]结论，进一步限定ΔGaq ≤ 0.08 eV/atom（水相分解产物）或≤0.20 eV/atom（固相分解产物），确保预测可靠性。
     

2. 稳定性与电子特性分析

   • 稳定性结果：初始筛选得到130种ORR候选和69种OER候选材料，经严格过滤后分别缩减至21种和14种。例如，Si₂H₂O₅、Pb₃P₂O₈等材料因ΔGaq超标被排除。
     
   • 电子能带分析：采用广义梯度近似（GGA-DFT）计算带隙，发现ORR条件下无零带隙材料（需导电支撑），OER条件下仅NiO₃、AgO₂F和AgHO₂三种材料为零带隙导体（需更高精度理论验证）。
     

3. 分解路径与特殊案例

   • 部分材料（如Ti₂O₇、ZrO₃）因数据库未收录其更稳定的三维相，ΔGaq显示为零。
     
   • 碱性条件（pH=13）的对比分析显示稳定性趋势类似，但候选材料数量略减（ORR 17种，OER 15种）。
     

主要结果

• 最终候选材料：ORR稳定材料包括Fe₃P₂(HO)₁₆（ΔGaq=0.04 eV/atom）、BiOF（ΔGaq=0.05 eV/atom）等；OER稳定材料包括NiO₃（零带隙）、AgO₂F（ΔGaq=0.02 eV/atom）等。
  
• 关键限制：多数稳定材料带隙较宽（如Al(OH)₃带隙4.38 eV），可能需纳米结构修饰以提升导电性。
  
• 数据库差异影响：C2DB和2DMatPedia中部分材料因缺乏三维相数据，稳定性评估存在局限性。
  

结论与意义

本研究通过高通量计算首次系统评估了二维材料在ORR/OER极端条件下的稳定性，将候选材料从11,000种大幅缩减至数十种，为实验研究提供了明确方向。科学价值体现在：
1. 方法论创新：结合热力学稳定性与溶液相分解能的多级筛选策略，为类似研究提供范本。
2. 材料发现：鉴定出NiO₃等新型导电稳定材料，突破传统贵金属催化剂的局限。
3. 应用指导：强调材料带隙与导电性的矛盾，提示未来需开发复合催化剂或界面工程策略。

研究亮点

• 规模与严谨性：覆盖迄今最全面的二维材料数据库，并通过实验数据验证计算阈值。
  
• 跨条件对比：同步分析酸性与碱性环境，揭示pH对材料稳定性的普适性影响。
  
• 开源共享：所有候选材料的结构文件（CIF格式）及能带数据公开，促进后续研究。
  

其他价值

研究得到丰田研究院（Toyota Research Institute）资助，团队开发的筛选流程可扩展至其他电催化反应（如氮还原、CO₂还原），为可再生能源存储与转换材料的开发奠定基础。