單原子催化劑具有結構和活性可調的特點，在能源和環境領域的應用引起了人們的廣泛關注。在這里，我們提出了單原子催化二維石墨烯和電子異質結構的第一性原理研究。電化層中的陰離子電子氣使大量的電子轉移到石墨烯層，轉移的程度可以通過選擇電子轉移來控制。電荷轉移調節了單個金屬原子的d軌道電子占有率，提高了析氫反應和氧還原反應的催化活性。吸附能EADs和電荷變化ΔQ之間的強相關性表明，界面電荷轉移是異質結構催化劑的關鍵催化參數。多項式回歸模型證明了電荷轉移的重要性，并準確地預測了離子和分子的吸附能。本研究為利用二維異質結構獲得高效的單原子催化劑提供了一種策略。
圖1. (a) 用于ORR的Ca
2N和石墨烯基SACs異質結構示意圖。(b) Ca
2N和石墨烯之間的靜電勢差。 (c) 不同異質結構Gr-X（Gr，石墨烯；X，二維電子）的功函數；(d, e) 相應的部分電子密度（PEDs）在能量范圍E
Fermi - 1.0 eV < E < E
Fermi，分別為Gr-Ca
2N和Gr-Y
2C。在電荷密度分別為0.02和0.03 e
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3時，采取等值面。
圖2. (a) Gr-Ca
2N和Gr-Y
2C在Z方向的差異電荷密度的平面平均密度。(b) Gr-Ca
2N和Gr-Y
2C相對于石墨烯的三維金屬原子的轉移電荷。(c, d) 分別為Co-Gr-Ca
2N和Fe-Gr-Y
2C的差分電荷密度（DCD）圖。黃色和藍色區域分別代表電子的獲得和損失。等值面是在電荷密度為0.01（或-0.01）e
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3時拍攝的。
圖3. (a) 三維金屬原子對石墨烯、Gr-Ca
2N和Gr-Y
2C三個系統的H原子的吸附能量。(b) 吸附能Eads與三維金屬原子的電荷量Δq變化之間的相關性。(c) 三種體系上三維金屬原子的HER的計算自由能圖。
圖4. (a)三維金屬原子在三個系統上的O
2的吸附能量。Gr, Gr-Ca
2N, 和Gr-Y
2C, 分別。(b) 吸附能Eads和三維金屬原子的電荷量Δq的變化之間的相關性。(c) Fe和Co原子的失電子數、金屬-O鍵長度、O-O鍵長度以及Fe-Gr、Fe-Gr-Ca
2N、Fe-Gr-Y
2C、Co-Gr、Co-Gr-Ca
2N和Co-Gr-Y
2C上的綜合晶體軌道漢密爾頓種群（ICOHPs）分別。(d) 差分電荷密度，電荷積聚和耗盡區域分別用黃色和藍色表示。等值面被設定為0.004 e
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3。
圖5. (a) 三維金屬原子對OH的吸附自由能，在三個系統上。Gr, Gr-Ca
2N, 和Gr-Y
2C, 分別。(b) 吉布斯自由能ΔG和電荷變化Δq之間的相關性。 (c-f) 鐵或鈷單原子在三個系統上的ORR自由能路徑。(c)和(e)中的數字是每個反應步驟的能量消耗，(d)和(f)中的數字是整個ORR的過電勢。
圖6：（a）DFT測量值與H、H
2、OH和O
2吸附的多項式回歸預測E
ads值的比較。(b) H、H
2、OH和O
2吸附的六個典型特征的Pearson相關系數。
相關研究成果由中國科學與技術大學Song Wang和Jun Jiang等人2023年發表在Journal of the American Chemical Society (https://doi.org/10.1021/jacs.2c13596)上。原文：Interlayer Charge Transfer Regulates Single-Atom Catalytic Activity on Electride/Graphene 2D Heterojunctions。
轉自《石墨烯研究》公眾號
