二维 o-B2N2负载单原子催化剂：氢 / 氧电催化中的多功能活性突破

为解决贵金属催化剂成本高、稀缺限制能源转换技术发展的问题，研究人员开展二维 o-B2N2负载单原子催化剂（SACs）用于 HER、OER、ORR 的研究。发现多种 SACs 表现优异，为相关电催化剂设计提供指导。

　　在能源需求不断攀升、环境问题日益严峻的当下，开发可再生清洁能源技术迫在眉睫。氢析出反应（HER）、氧还原反应（ORR）和氧析出反应（OER）是水分解、燃料电池、金属 - 空气电池等能源转换技术中的关键反应过程。然而，以铂（Pt）、氧化铱（IrO₂）为代表的贵金属催化剂，虽然在驱动这些反应时展现出卓越的动力学性能，但高昂的成本和稀缺的储量，严重阻碍了其大规模应用。因此，寻找储量丰富、成本低廉且性能优异的多功能催化剂，替代贵金属催化剂，成为可持续电化学领域亟待攻克的难题。

在此背景下，西安建筑科技大学等机构的研究人员展开了深入研究。他们通过第一性原理模拟，提出二维正交氮化二硼（o-B₂N₂）这种新型氮化硼同素异形体，可作为单原子催化剂（SACs）的创新载体。研究发现，Rh@B₂N₂在 HER、ORR 和 OER 反应中展现出超低过电位，分别为 0.17 V、0.58 V 和 0.26 V，具备出色的多功能催化活性。Ru@B₂N₂和 Mn@B₂N₂的 HER 性能可与 Pt 基催化剂相媲美，Fe@B₂N₂和 Co@B₂N₂则分别在 ORR（0.38 V）和 OER（0.43 V）反应中表现卓越。该研究成果发表在《Applied Surface Science》，为基于 B₂N₂的电催化剂合理设计提供了重要指导，推动了能源转换技术的发展。

研究人员开展研究时，主要运用了第一性原理计算这一关键技术方法。该方法基于量子力学原理，通过求解薛定谔方程来计算材料的电子结构和性质，从而对 o-B₂N₂负载单原子催化剂的结构、稳定性、电子性质以及催化性能进行深入探究。

结构、稳定性和电子性质

研究发现二维正交 o-B₂N₂呈现出类似 h-BN 和石墨烯的平面蜂窝状结构。优化后的晶格参数为 a = 4.559 ?、b = 2.490 ? ，B - B 键长 1.694 ?，B - N 键长 1.437 ?，N - N 键长 1.433 ?。通过与先前研究对比晶格参数、键长、键角和带隙，验证了研究结果的可靠性。这表明 o-B₂N₂具备作为催化剂载体的基础结构条件。

催化活性研究

通过计算不同单原子催化剂在 HER、ORR 和 OER 反应中的过电位等指标，评估其催化活性。结果显示，Rh@B₂N₂在三个反应中均展现出超低过电位，具备多功能催化优势。Ru@B₂N₂和 Mn@B₂N₂在 HER 反应中表现突出，与 Pt 基催化剂相当；Fe@B₂N₂在 ORR 反应、Co@B₂N₂在 OER 反应中展现出优异的催化效率。

催化活性趋势分析

研究人员构建了标度关系和火山图，系统地描述了不同单原子催化剂对 HER/OER/ORR 的电催化活性趋势。这有助于直观地理解不同催化剂在各反应中的活性变化规律，为筛选和设计高效催化剂提供了重要参考依据。

催化起源探究

利用 d 带理论、晶体轨道哈密顿布居（COHP）和 d 电子数等理论和参数，深入阐释了催化活性的起源。研究发现 d 带中心（ε_d）和 d 电子数（N_d）可以定量描述 HER/OER/ORR 的催化活性。此外，积分晶体轨道哈密顿布居（ICOHP）在描述 ORR/OER 催化活性方面展现出显著潜力，为进一步理解催化反应机理提供了理论支持。

综上所述，该研究通过系统的第一性原理模拟，揭示了 o-B₂N₂负载单原子催化剂在 HER、OER 和 ORR 反应中的巨大电催化潜力。明确了不同单原子催化剂的优势反应及活性差异，深入分析了催化活性的起源和描述参数。这不仅拓展了 o-B₂N₂在催化剂载体领域的应用，更为基于 B₂N₂的高性能电催化剂的理性设计提供了理论指导，对推动能源转换技术的发展具有重要意义。同时，研究中运用的第一性原理计算方法，也为后续相关研究提供了有效的技术手段，有望启发更多科研人员在该领域深入探索，助力开发出更多高效、低成本的能源转换材料。