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单层IVA主族硫化物/ORR 催化剂

  1. 汇报的是一篇在 jmca 上发表的文章，基于第一性原理计算，第四主族硫族化合物可以作为潜在高效的氧化还原催化剂。
  2. 首先介绍一下研究背景，总所周知，燃料电池是一种环境友好的能源转化装置 ，具有较高的能量转换效率和低污染的特点，有规模化应用的前景，当前制约其发展的关键便是其阴极氧化还原反应的效率问题。
     1. 传统的电催化材料 Pt 及其合金，具有良好的催化性能，但 Pt 类材料也有明显的缺点，其中最主要的就是Pt益高昂的价格与电极循环过程中的不稳定性。
 2. 寻找替代 Pt 的电极催化材料是一个提高燃料电池工作效率的思路。在以往的研究中，科学家在寻找 ORR 电极反应催化材料以替代价格高昂的 Pt 己经取代了一些进展。诸如新型石墨烯杂原子催化剂，二维结构的黑磷，但都有或多或少的问题。
 3. GeS 及其衍生物具有类黑磷结构，且稳定性更优于黑磷，该文献便集中对 GeS 及其衍生物进行 ORR 理论研究，探索其是否具有成为高效电极催化剂的潜力
  3. 该研究使用的理论计算方法基于密度泛函理论，构建模型时采用导体屏蔽模型和标准氢电极模型，主要使用的软件包是 MS.
  4. 实验部分从以下五个方面逐步开展
     1. GeS 及其衍生物的结构和电性质，文章基于电荷理论计算及分析，表明该材料可能作为 ORR 催化剂。
 2. 该材料对于氧气分子的吸附解离，通过计算，得出氧气分子结合该材料的最优几何构型及其吸附能与解离能，可以看出其解离势能在降低，故氧气的吸附解离可正常进行。同时 SnS 由于其较低的结合能，发现在氧气环境下不稳定，故不适合作为催化剂。
 3. 该材料对于 ORR 中间体的吸附，图示为各个中间体与该材料的吸附构型以及其吸附能，可看出材料对于 CO 具有较低的吸附能，推测材料对于 CO 有更好的耐受性。同时文章通过模拟发现，GeS 在酸性介质中具有较高的稳定性，该催化反应可能为四电子路径。
 4. ORR 机制，图示为在酸性环境下，两种可能的催化机理，然后是通过两种机理所计算的反应自由能变化，可看到反应自由能一直在降低，该催化反应在热力学上可顺利进行，同时可通过对比发现，直接过程的第一步反应自由能降大于非直接过程，故该反应机理可能为直接过程。
 5. 超电势的影响，文章计算了在酸性环境下各个物质的超电势，可看出 GeS 的超电势略高于 Pt ,具有可以接受的超电势影响。
  5. 最后文章得出结论，二维的 GeS 成为高效催化剂的可能最大，由于其与氧气较大的结合能，较低的氧气解离势垒和可接受的超电势影响。同时文章在碱性环境下也做了类似的分析计算，发现它们在碱性环境下都可能作为催化剂。该文章对以后的相关实验设计提供了前瞻性参考。
附件：PPT Paper
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