基于图论的可解释FAUC框架在氧电催化剂设计中的应用

《Journal of Energy Chemistry》：An interpretable FAUC framework assisted by graph theory for designing oxygen electrocatalysts

　　

Huan Li|Liyuan Yang|Jinchao Xu|Wenchuang Yuan|Xiang Wan|Yumin Wang|Gang Chen|Ruiting Hao|Chunning Zhao|Weichao Wang

摘要

过渡金属氧化物是金属空气电池中氧还原反应（ORR）的极具潜力的催化剂，但由于晶格周期性以及连接性带来的结构扭曲会显著影响活性物质的局部电子结构，因此其合理设计仍面临挑战。在此，我们提出一种基于图论的可解释的“从活性单元到催化剂”（FAUC）逆向设计策略，该策略首先优化具有内在活性的[MnO₅]活性单元，再通过单一或混合共享方式将其系统地组装成整体催化剂。在0D、1D和2D架构中，我们确立了连接性-电子结构-活性的明确关系：增加共享程度会使Mn$d_{z^2}$态远离费米能级，导致ORR活性下降；而角共享则最能保持处于$d_{z^2}$态且穿过E_F能级，从而实现较低的过电势。在FAUC的指导下，通过图神经网络辅助的结构搜索及第一性原理验证，我们发现了角共享型的Ca₃Mn₂O₆，这是一种动态稳定的氧化物催化剂，在特定的I4/mmm结构中此前尚未有相关报道，其ORR过电势仅为0.26伏特。FAUC为从最优配位单元设计氧化物空气阴极催化剂提供了可借鉴的方案。