硼掺杂α-石墨炔与α-石墨二炔的双功能电催化性能：DFT理论揭示超越铂的HER/ORR活性

为解决燃料电池中铂基催化剂成本高、稳定性差的问题，济南大学研究人员通过密度泛函理论（DFT）计算，设计硼掺杂α-石墨炔（B@αGy）和α-石墨二炔（B@αGdy）作为双功能电催化剂。研究发现B@αGy的HER（氢析出反应）和ORR（氧还原反应）活性超越铂，其性能提升源于硼掺杂诱导的p带中心上移。该研究为开发高效非贵金属催化剂提供了新策略。

　　

研究背景与意义

化石燃料的过度消耗引发能源危机与环境问题，燃料电池因其高效清洁特性成为研究热点。然而，其核心反应——氢析出反应（HER）和氧还原反应（ORR）依赖昂贵的铂基催化剂，且存在稳定性不足的缺陷。尽管氮掺杂石墨烯等碳基材料（CMFCs）展现出潜力，但质量传输限制和活性不足仍是瓶颈。石墨炔（Gy）作为新型二维碳材料，因其独特的sp/sp²杂化结构和可调电子性质，被视为理想替代品。然而，兼具HER/ORR双功能活性的Gy基催化剂仍鲜有报道。

研究方法与技术

济南大学团队采用密度泛函理论（DFT）计算，通过PWmat软件包结合SG15赝势和PBE泛函，系统分析硼掺杂αGy（B@αGy）和αGdy（B@αGdy）的结构稳定性（基于结合能和声子谱）、电子性质（能带与态密度）及催化活性（自由能台阶与过电位计算）。

研究结果

几何与电子性质
B@αGy和B@αGdy保持P6/mmm对称性，硼掺杂导致晶格畸变（αGy键长缩短0.04 ?）。电子结构显示二者为半导体，硼引入的p带中心上移增强中间体吸附能力。

HER性能
B@αGy的氢吸附自由能（ΔG_H*）为-0.03 eV，接近理想值（0 eV），优于铂（-0.09 eV）。B@αGdy因过度吸附（ΔG_H*=-0.25 eV）活性稍逊。

ORR性能
B@αGy通过四电子路径实现ORR，极限电位（UL）为0.80 V，超过铂（0.79 V）。其关键步（*OOH→O）能垒仅0.62 eV，归因于硼位点对OOH的强吸附。

结论与意义

该研究首次证实硼单掺杂Gy材料可同时优化HER/ORR活性，其中B@αGy因p带中心调控和适度吸附强度成为超越铂的双功能催化剂。这一发现为设计低成本、高效碳基催化剂提供了理论框架，推动燃料电池商业化进程。论文发表于《Computational and Theoretical Chemistry》，凸显计算材料学在能源领域的指导价值。