一種高效評(píng)估復(fù)雜合金納米團(tuán)簇電催化析氫反應(yīng)活性

析氫反應(yīng)（HER）可將水轉(zhuǎn)化為氫氣，通過零污染的電化學(xué)過程，完成電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換。在析氫反應(yīng)過程中，選擇合適的電催化劑是實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)氫的關(guān)鍵。傳統(tǒng)商用析氫催化劑鉑的高成本和高負(fù)載量，抑制了工業(yè)產(chǎn)能。研究者們已經(jīng)致力于尋找可替代純鉑催化劑的其它金屬材料。

納米團(tuán)簇具有比體相金屬更大的比表面積和更多的活性位點(diǎn)，這些特征使納米團(tuán)簇在電催化領(lǐng)域中具有更為廣闊的應(yīng)用前景。合金團(tuán)簇由兩種或兩種以上金屬組成，通過不同金屬元素之間的協(xié)同效應(yīng)，進(jìn)一步提高團(tuán)簇的化學(xué)活性，最終替代貴金屬催化劑。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和理論模擬方法的發(fā)展，高通量計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)方法已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，把兩者方法結(jié)合起來開發(fā)設(shè)計(jì)一種預(yù)測(cè)復(fù)雜合金團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和催化性能的高通量計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定功能催化劑的高效篩選，對(duì)于提高我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)效率、促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，都具有十分重要的意義。

由蘇州大學(xué)王璐教授、李有勇教授和大連理工大學(xué)趙紀(jì)軍教授等人基于高通量計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)方法，提出了一種高效評(píng)估復(fù)雜合金納米團(tuán)簇電催化析氫反應(yīng)活性的描述符，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜合金納米團(tuán)簇催化活性的成功預(yù)測(cè)。

他們開發(fā)并設(shè)計(jì)了一種基于密度泛函理論的高通量計(jì)算和篩選方法，從7924個(gè)銅基合金團(tuán)簇中解析出熱力學(xué)平衡相的結(jié)構(gòu)特征，并進(jìn)一步對(duì)穩(wěn)定的銅基合金團(tuán)簇的表面析氫活性進(jìn)行了高通量模擬，提出了一種由團(tuán)簇表面電荷構(gòu)成的HER活性描述符，建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，成功預(yù)測(cè)了復(fù)雜合金團(tuán)簇的析氫反應(yīng)活性。

這項(xiàng)研究中提出的高通量篩選方法從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電化學(xué)活性兩個(gè)方面對(duì)銅基合金團(tuán)簇進(jìn)行了評(píng)估，確定了銅基合金團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為核殼結(jié)構(gòu)，探討了摻雜金屬比例對(duì)催化活性的影響機(jī)制，進(jìn)一步以團(tuán)簇表面電荷為特征建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

實(shí)現(xiàn)了對(duì)團(tuán)簇表面氫原子吸附自由能的成功預(yù)測(cè)，提出了兼具高穩(wěn)定性和高活性特點(diǎn)的銅鎳合金團(tuán)簇在電催化反應(yīng)中的潛在應(yīng)用。這種篩選策略不僅大大提高了高通量篩選的計(jì)算效率，而且有助于發(fā)現(xiàn)更有前景的合金納米團(tuán)簇作為優(yōu)異的電催化材料。

該文近期發(fā)表于npj Computational Materials 7： 46 （2021）。

Computational high-throughput screening of alloy nanoclusters for electrocatalytic hydrogen evolution

Xinnan Mao， Lu Wang， Yafeng Xu， Pengju Wang， Youyong Li & Jijun Zhao

Here， we report a density functional theory （DFT）-based high-throughput screening method to successfully identify a type of alloy nanoclusters as the electrocatalyst for hydrogen evolution reaction （HER）。 Totally 7924 candidates of Cu-based alloy clusters of Cu55-nMn （M?=?Co， Ni， Ru， and Rh） are optimized and evaluated to screening for the promising catalysts.

By comparing different structural patterns， Cu-based alloy clusters prefer the core–shell structures with the dopant metal in the core and Cu as the shell atoms. Generally speaking， the HER performance of the Cu-based nanoclusters can be significantly improved by doping transition metals， and the active sites are the bridge sites and three-fold sites on the outer-shell Cu atoms.

Considering the structural stability and the electrochemical activity， core–shell CuNi alloy clusters are suggested to be the superior electrocatalyst for hydrogen evolution.

A descriptor composing of surface charge is proposed to efficiently evaluate the HER activity of the alloy clusters supported by the DFT calculations and machine-learning techniques. Our screening strategy could accelerate the pace of discovery for promising HER electrocatalysts using metal alloy nanoclusters.

編輯：jq