催化位点微环境调控工程是目前研究原子催化中最活跃的新领域，由于活性位点物理化学性质受到其配位微环境的影响，且该影响会进一步反应到催化过程中活性位点动态变化和对中间体吸附行为变化，从而是的催化剂具有不同的催化稳定性、活性及选择性。如何利用配位微环境调控使得不同的催化位点结合不同的配位环境，从而实现其独特的电子结构和最大的催化效率，引起了广泛的研究兴趣。

目前单原子催化位点的配位微环境调控研究取得了很多突破性的成果，但其主要的配位环境调控集中在-C_xN_y、-C_xO_y、-C_xS_y等二元非金属配位，而三元非金属配位环境的研究还没有详细系统的研究，同时对于不同配位环境下不同单原子的稳定性、活性和选择性同时进行探讨也很少进行系统的报道。基于此，孔佑超博士、何天威副教授等运用第一性原理计算方法对此类三元非金属配位不同金属位点的稳定性、催化活性和选择性进行系统深入的理论研究，并给出了实验上合成该配位环境下单原子催化剂的策略和方法。

图文解析

图1. 不同单原子在不同配位环境下结合能/形成能一般描述符，其中，E_f表示单个TM原子在BCN上的形成能，φ为描述因子，χ_TM表示TM原子的电负性，χ_i表示TM配位的B、C或N原子的电负性。

图2. 20种-B_xC_yN_z配位环境下20个不同过渡金属单原子的稳定性、金属形成能和电化学溶解势关系。其中，形成能越负，溶解电位越正，表明体系稳定性越好。

图3.  a)基于BCN的SAC的OER和ORR的火山图。(b)-(d)获得的催化活性火山图以及OER和ORR的描述符。

总结与展望

在这项工作中，我们利用高通量密度泛函理论(DFT)计算，对分布在二维-BCN纳米结构中20种不同配位环境下的20种TM-SAC的结构-催化性能关系进行了全面的研究。基于TM元素的内在物理化学性质开发了一种通用的描述符，从而找到了最稳定的TM-BCN SACs，为未来合成SA修饰的BCN纳米片开辟了一条新的理论方法。最重要的是，我们深入探讨了400种不同组合的配位环境对TM-SA催化位点d带中心的影响，发现*O和*OOH的结合能可以作为描述因子来筛选出最活跃的OER和ORR双功能SA-BCN电催化剂。上述计算描述因子不仅可以加快TM-BCN SACs的研究进程，而且可以促进其它基于SA的电催化体系的实验设计。

通讯作者简介

何天威副教授简介：博士，副教授，硕士生导师。2020年博士毕业于澳大利亚昆士兰科技大学（QUT）材料化学物理系，2020-2022年分别在澳大利亚昆士兰科技大学、澳门大学和德国马普-弗利茨-哈伯研究所（FHI）从事博士后研究。主要研究方向为新能源材料领域光电催化剂的理论设计、高通量计算模拟、机器学习以及实验等。近5年在国际著名期刊上发表40余篇研究论文，其中以第一或通讯作者在Chem. Soc. Rev., JACS, AM, AEM, Small等顶级期刊发表SCI论文25篇，9篇入选ESI 1%高被引论文，总引用次数2400余次，H因子为27。担任Materials Today Energy (IF=9.25)青年编委，Frontiers in Chemistry (IF=5.545)客座主编，长期受邀为Nat. Comm., Small, ACS AMI, ASS等期刊审稿人。

孔佑超博士简介：博士，盐城师范学院讲师。2021年博士毕业于澳门大学应用物理及材料工程研究院。主要研究方向为半导体材料理论设计、高通量计算模拟、机器学习等。近5年以第一或通讯作者在Small，J. Mater. Chem. A,ChemSusChem, ACS Appl. Nano Mater., J. Mater. Chem. C，Appl. Surf. Sci.等期刊发表多篇SCI论文。

文献来源

“Rational Modulation of Single Atom Coordination Microenvironments in a BCN Monolayer for Multifunctional Electrocatalysis”. Tianwei He,* Youchao Kong,* Tong Zhou, Jin Zhang, Alain R. Puente Santiago,*Aijun Du, Rafael Luque, and Qingju Liu*. Small 2023, 23024.

文献链接： 

https://doi.org/10.1002/smll.202302429