面向绿色催化：无金属多孔3D-C6B6材料水分解反应的DFT研究

本研究针对传统金属基催化剂成本高、资源稀缺的问题，通过密度泛函理论（DFT）系统探究了无金属多孔3D-C6B6材料的结构与催化性能。研究发现其硼原子位点对HER（0.71 eV）和OER（0.68 eV）具有低过电位，且动态稳定性优异，为绿色制氢提供了可持续的新型催化剂解决方案。

　　

随着全球对清洁能源需求的激增，氢能作为零碳燃料备受关注。然而，传统电解水制氢技术依赖铂、钌等贵金属催化剂，高昂成本和资源限制严重制约其大规模应用。如何开发高效、稳定且廉价的替代材料，成为绿色能源领域的核心挑战之一。在这一背景下，无金属催化剂因其可持续性和结构可调性崭露头角，但对其活性位点精准调控与反应机理的认知仍存在空白。

为解决这一难题，拉齐大学的研究团队在《Journal of Molecular Liquids》发表了一项突破性研究。他们采用密度泛函理论（DFT）系统解析了新型多孔3D-C₆B₆材料的催化性能，发现其硼原子位点可同时高效驱动水分解的氢演化反应（HER）和氧演化反应（OER），过电位分别低至0.71 eV和0.68 eV，性能媲美金属催化剂。这一成果为无金属催化剂的理性设计提供了重要理论依据。

关键技术方法
研究通过Quantum ESPRESSO软件包进行DFT计算，采用PBE-GGA泛函处理交换关联能，平面波截断能设为50 Ry，k点网格为12×12×12。通过声子谱分析验证结构稳定性，结合福井函数（Fukui function）和赫什菲尔德电荷（Hirshfeld charge）定位活性位点，并计算吸附自由能评估反应能垒。

研究结果

结构及电子特性
优化后的3D-C₆B₆呈现动态稳定的多孔框架，C-B键长1.56 ?。电子结构分析显示，硼原子在孔口处具有高亲电性（f⁺值突出），成为吸附水分子中氧原子的关键位点。

催化反应路径
HER过程中，H在硼位点的吸附自由能（ΔG_H）接近热中性（0.02 eV）。OER四步反应中，*OOH中间体虽出现单一虚频声子模式，但能快速转化为O₂，决速步能垒仅为1.52 eV。

稳定性验证
声子谱显示除*OOH外所有中间体均无虚频，证实材料在反应条件下的结构鲁棒性。

结论与意义
该研究首次阐明3D-C₆B₆通过硼原子协同活化水分子机制，其双功能催化性能突破传统无金属材料限制。N. Hassani团队的工作不仅为绿色制氢提供了可替代贵金属的候选材料，更通过DFT-guided策略展示了计算驱动催化剂设计的巨大潜力，对推动可再生能源技术发展具有重要指导价值。