【DFT+实验】JACS：层间电荷转移调节电子化物/石墨烯二维异质结上的单原子催化活性

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。

基于此，中国科技大学江俊教授，王嵩副研究员（共同通讯作者）等人报道了对二维石墨烯和电子化物异质结上的单原子催化的第一性原理研究。电子化物层中的阴离子电子气使大量的电子转移到石墨烯层，转移的程度可通过选择电子化物来控制。

电荷转移调节了单个金属原子的d轨道电子占据，提高了析氢反应（HER）和氧还原反应（OER）的催化活性。

由于该电子化物/石墨烯二维异质结具有良好的稳定性和选择性，可以通过嵌入不同的电子化物和过渡金属来有效地调节HER和ORR的吉布斯自由能。

特别是Cr-Gr-Ca₂N、Ni-Gr-Ca₂N、Ti-Gr-Y₂C和Mn-Gr-Y₂C是具有较低ΔG_H值（小于-0.09 eV）的HER电催化剂。

同时，Fe-Gr-Y₂C、Co-Gr-Ca₂N、Co-Gr-Y₂C和Rh-Gr-Ca₂N具有较低的过电势（分别为0.52、0.34、0.44和0.45 V），可作为ORR电催化剂。

本文还证明了电荷变化（Δq）和吸附能（E_ads）之间几乎呈线性关系，表明界面电荷转移是此类异质结的关键描述符。此外，多项式回归算法验证了界面电荷转移的重要性，并准确预测了离子和分子的吸附能。

这是首次使用二维电子化物底物向单原子催化剂提供电荷转移的设计，从而在催化位点引起平面外（垂直于表面）电荷极化，为利用二维异质结获得高效的单原子催化剂提供了一种策略。

Interlayer Charge Transfer Regulates Single-Atom Catalytic Activity on Electride/Graphene 2D Heterojunctions. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.2c13596.