Nat. Commun.:數據驅動尋找用于CO2還原的穩健、可合成光催化劑

【引言】

通過光催化將溫室氣體CO₂轉化為碳氫化合物和乙醇等化學燃料，仍是可再生能源領域極具潛力的技術。有關CO₂還原電催化劑的主要進展均著眼于提高效率和產物選擇性，除此之外，考慮到實現CO₂的低成本、大規模還原，還需要開發新的材料。

【成果簡介】

近日，美國加州大學伯克利分校/勞倫斯伯克利國家實驗室的Kristin A. Persson教授在Nature Communications上發表了題為“Robust and synthesizable photocatalysts for CO₂ reduction: a data-driven materials discovery”的文章。文章利用68860種備選材料，使用基于第一性原理計算的篩選策略，來評估可用于燃料合成的材料的性質，包括可合成性、抗腐蝕性、可見光吸收率和電子結構適應性等。結果證明極少數材料符合CO₂光電極的要求。參考已有文獻，該工作提出的符合要求的52種材料中，9種材料已用于CO₂還原的研究，其余43種材料還有待進一步研究。

【圖文導讀】

圖1：光催化將CO2轉化為化學燃料的示意圖。

圖2：根據篩選標準和滿足標準的材料數量進行分層，結果如圖所示。

圖3：圖中y軸為超過第6級的材料帶邊能量，x軸標簽表示對應材料通式，括號里為材料事業（Materials Project）的材料編碼。

【小結】

總的來說，作者建立了至今最大的探索性搜索，篩選范圍多達68860種材料，尋找具有抗腐蝕性等本征特性、可用于CO₂還原光電極的目標材料。經識別得出的39種具有功能性的新材料，此前并未被報道。作者設計和應用了一種基于第一性原理計算數據庫的計算篩選策略，先得到預篩選材料，再將這些材料的準確電子結構計算出來。在將篩選策略應用于已被報道過的光電極材料后，作者發現這一策略具有高度的材料優選性。預測得到的材料涵蓋的范圍極廣，包括砷化物、碲化物、硒化物和氧化物，以及一些層狀材料。這預示著在合金化、共催化劑或使用縱列式設計等多種形式的材料設計中都具有可實現性。雖然篩選策略側重的是表面可還原CO₂的材料，篩選結果也適用于太陽能驅動水氧化/氫化產物或太陽能吸收物。因此，對于尋找可優化太陽能燃料產物的材料，該工作也可提供新的思路和途徑。

文獻鏈接：Robust and synthesizable photocatalysts for CO2 reduction: a data-driven materials discovery（Nat. Commun.，2019，DOI：10.1038/s41467-019-08356-1）

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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