將H+電催化還原成H2是基於氫燃料可再生能源技術的關鍵過程。在眾多的影響因素中，催化劑的效率對於降低整體反應過電位和提高反應產率至關重要，Pt系金屬是性能最好的催化劑，然而價格昂貴，難以作為大規模生產H2的催化劑。因此，在過去幾年中，尋找可替代且含量豐富的催化劑引起了研究者巨大的研究興趣。
近日，美國北德克薩斯大學Oliviero Andreussi教授在第一性原理模擬的基礎上，採用精確的熱力學計算方法研究了二維材料表面的催化性能。同時利用多方位連續嵌入式模型獲取電化學環境對材料催化活性和穩定性的影響。相關論文以題為「Catalytic Activity and Stability of Two-Dimensional Materials forthe Hydrogen Evolution Reaction 」發表在ACS Energy Lett.上。
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https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.9b02689
實際上，受石墨烯和層狀過渡金屬滷化物的特殊化學和物理性質的影響，近年來研究者們投入了大量的努力來探索可替代的2D材料，並確定它們的催化性能。尤其是2D材料擁有更大的比表面積，能夠進一步提升催化活性。已報導2D材料結構主要通過剝離層狀3D固體材料，或者通過組合取代已知的二維晶體結構，雖然已經詳細地了解它們的電子結構和物理特性，但它們在電催化中的應用仍然較少被報導。
這在一定程度上是由於電化學裝置的建模所面臨的挑戰，電化學裝置的多尺度性質使得完全原子化的第一性原理模擬對於系統研究是不切實際的。然而，隨著連續溶劑化模型的最新發展，基於第一性原理的電化學模擬的精度有了很大的提高，特別是最近提出的溶劑和電化學擴散層的連續模型，能夠利用一種有潛力的熱力學方法去表徵電化學界面的穩定性。採用的方法在計算上便宜，能夠對大量候選材料進行催化效率的系統分析。
在本文中展示了一種基於第一性原理的電化學界面多尺度方法，用於計算篩選的二維（2D）材料析氫反應（HER）的催化效率。從計算生成的258種候選2D化合物的資料庫開始，然後確定了15種有前途的HER催化劑，其中CoO2和FeS表現出最佳的性能和最高的穩定性。
圖1. 材料催化效率的篩選過程
圖2. 通過完整的篩選程序確定有前途的HER催化劑（綠色圓圈）
圖3. 通過所有篩選步驟的15種化合物的穩定性與環境條件的關係
圖4. CoO2和FeS側面（A和C）和頂部（B和D）表面的H+吸附的最優位置（分別在O原子和S原子的頂部）
通過本文的研究發現，雖然大部分2D材料都顯示出不錯的催化效率，但CoO2和FeS被認為是最有希望代替Pt的HER催化劑，這兩個單層材料都是由地球上豐富的元素組成的，同時在還原電位上表現出寬的穩定範圍。此外，通過調節pH值，H+的過電位可以降低到接近於零。（文：Caspar）
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