单原子催化剂具有结构和活性可调的特点，在能源和环境领域的应用引起了人们的广泛关注。在这里，我们提出了单原子催化二维石墨烯和电子异质结构的第一性原理研究。电化层中的阴离子电子气使大量的电子转移到石墨烯层，转移的程度可以通过选择电子转移来控制。电荷转移调节了单个金属原子的d轨道电子占有率，提高了析氢反应和氧还原反应的催化活性。吸附能EADs和电荷变化ΔQ之间的强相关性表明，界面电荷转移是异质结构催化剂的关键催化参数。多项式回归模型证明了电荷转移的重要性，并准确地预测了离子和分子的吸附能。本研究为利用二维异质结构获得高效的单原子催化剂提供了一种策略。
 
图1. (a) 用于ORR的Ca₂N和石墨烯基SACs异质结构示意图。(b) Ca₂N和石墨烯之间的静电势差。 (c) 不同异质结构Gr-X（Gr，石墨烯；X，二维电子）的功函数；(d, e) 相应的部分电子密度（PEDs）在能量范围E_Fermi - 1.0 eV < E < E_Fermi，分别为Gr-Ca₂N和Gr-Y₂C。在电荷密度分别为0.02和0.03 e^-/bohr³时，采取等值面。
 
图2. (a) Gr-Ca₂N和Gr-Y₂C在Z方向的差异电荷密度的平面平均密度。(b) Gr-Ca₂N和Gr-Y₂C相对于石墨烯的三维金属原子的转移电荷。(c, d) 分别为Co-Gr-Ca₂N和Fe-Gr-Y₂C的差分电荷密度（DCD）图。黄色和蓝色区域分别代表电子的获得和损失。等值面是在电荷密度为0.01（或-0.01）e^-/bohr³时拍摄的。
 
图3. (a) 三维金属原子对石墨烯、Gr-Ca₂N和Gr-Y₂C三个系统的H原子的吸附能量。(b) 吸附能Eads与三维金属原子的电荷量Δq变化之间的相关性。(c) 三种体系上三维金属原子的HER的计算自由能图。
 
图4. (a)三维金属原子在三个系统上的O₂的吸附能量。Gr, Gr-Ca₂N, 和Gr-Y₂C, 分别。(b) 吸附能Eads和三维金属原子的电荷量Δq的变化之间的相关性。(c) Fe和Co原子的失电子数、金属-O键长度、O-O键长度以及Fe-Gr、Fe-Gr-Ca₂N、Fe-Gr-Y₂C、Co-Gr、Co-Gr-Ca₂N和Co-Gr-Y₂C上的综合晶体轨道汉密尔顿种群（ICOHPs）分别。(d) 差分电荷密度，电荷积聚和耗尽区域分别用黄色和蓝色表示。等值面被设定为0.004 e^-/bohr³。
 
图5. (a) 三维金属原子对OH的吸附自由能，在三个系统上。Gr, Gr-Ca₂N, 和Gr-Y₂C, 分别。(b) 吉布斯自由能ΔG和电荷变化Δq之间的相关性。 (c-f) 铁或钴单原子在三个系统上的ORR自由能路径。(c)和(e)中的数字是每个反应步骤的能量消耗，(d)和(f)中的数字是整个ORR的过电势。
 
图6：（a）DFT测量值与H、H₂、OH和O₂吸附的多项式回归预测E_ads值的比较。(b) H、H₂、OH和O₂吸附的六个典型特征的Pearson相关系数。
 
        相关研究成果由中国科学与技术大学Song Wang和Jun Jiang等人2023年发表在Journal of the American Chemical Society  (https://doi.org/10.1021/jacs.2c13596)上。原文：Interlayer Charge Transfer Regulates Single-Atom Catalytic Activity on Electride/Graphene 2D Heterojunctions。

转自《石墨烯研究》公众号