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清華大學李亞棟院士團隊王定勝教授針對電催化反應中先進能源轉換材料的理論導向篩選與設計發表綜述，文章題目: Theory-oriented screening and discovery of advanced energy transformation materials in electrocatalysis，doi: 10.1016/j.apmXXX。本文得到國家重點研發計劃（2018YFA0702003）、國家自然科學基金（21890383、21871159）及廣東省科技攻關項目（2020B010188002）等的支持。
各種金屬基電催化劑，從納米晶到團簇再到單原子的發現已被廣泛用于高效能源器件和電催化轉換技術。近些年，眾多電催化劑主要通過試錯法實驗合成。然而，對各類電化學反應和電池系統中催化劑結構和反應機理的合理設計和理論認知仍處于起步階段。為加速能源轉換材料的設計并篩選優異的電極催化材料，迫切需要在原子尺度上使用DFT密度泛函理論計算和機器學習技術對反應機理進行深入研究。
采用高通量密度泛函理論計算和機器學習技術，使研究人員能夠快速了解電極表面的反應機理，在原子尺度上建立電子結構-催化活性關系。通過對活性位點設計、界面控制、計算描述符等理論模型的構建和優化，我們可以從龐大的催化劑數據庫中快速篩選出一系列性能優異的能量轉換材料，大大降低了開發成本，縮短了實驗周期。然而，由于對活性位點結構和反應過程了解不足，大多數單原子催化劑(SACs)的開發仍然依賴于反復試驗。通過分析由DFT計算出的SACs的理論指導構效關系，我們可以快速預測最佳結構模型，從而提高特定催化反應的綜合性能。
本文全面概述了先進能源轉換材料理論指導設計的最新進展，并特別關注單原子在諸如燃料電池（氧還原反應，ORR；酸氧化反應；醇氧化反應）等各種能源器件中的應用，以及其它與能量相關的小分子電催化轉化反應，如H2O2析出反應（2e-ORR）、水分解（H2析出反應/O2析出反應，HER/OER）、N2還原反應（NRR），和 CO2還原反應(CO2RR)等。首先，討論了電催化反應和電池模塊中電子結構、相互作用機制和反應活化路徑。接著，研究了先進能量轉換材料的實驗合成策略、結構鑒定和電催化性能。最后，對先進能量轉換材料的當前問題和未來設計理念提出了一些觀點。
高通量DFT理論計算和機器學習技術在探索活性位點、電子結構和反應機制方面起著重要作用，可以加速能源轉換材料的發現。借助理論指導，可以闡明材料內在性質、微觀反應機理和構效關系。通過對活性位點設計、界面控制、計算描述符等理論模型的構建和優化，將大大降低實驗合成的成本和周期。預期本文可以為適用于重要能源供給裝置和化學反應的先進能源轉換材料提供理性指導。具體特色如下：
1)從電子結構、相互作用機制和反應活化路徑角度論述以理論為導向的先進能源轉換材料的篩選和設計。目前文獻很少有相關理論指導實驗-實驗驗證理論-理論指導合成-結構表征輔助理論建模-理論分析活性來源這種反饋驗證模式的精準構建方法，本報道有助于深入理解“理論+實驗”的“構+效”關系。
2)分析理論篩選的目標催化劑在電催化轉化和能源器件領域的實驗合成策略、結構鑒定方法和催化活性評估。通過理論指導定向合成，得到目標產品后再計算其物理化學性質，利用結構表征鑒定技術手段輔助理性建模，針對不同催化反應，探索反應機理，理性正確分析活性來源。
3)針對理論指導下的模型預測、催化劑合成、結構鑒定、性能評估等方面所面臨的挑戰和未來發展前景進行了分析。這將有利于選擇有效的描述符和計算方法來準確描述活性位點結構、電荷轉移過程、吸附能和反應能壘。通過分析催化劑結構與性能之間關聯，可更好地理解原子尺度復雜催化反應機理。
由于活性位點與吸附質之間的相互作用對催化性能有重要影響，需要反復結合實驗和理論計算來研究催化劑的結構性質和實際催化過程，這將有助于目標催化劑在特定反應中實現高效利用。特別指出，常用的DFT近似方法可能會存在誤差，如大多數理論建模都是在理想條件下進行，而忽略了實際反應過程，如溫度、壓力、溶劑、活性位點濃度等，準確來講，這些因素都應該被評估和包括在內。相同的原子分散活性位點可以催化不同的反應，如Pt基SACs對ORR和HER均具有活性，而對于相同的反應，不同的金屬基SACs可以得到不同的產物，如CO2RR產物可以有CH4、CH3OH和HCOOH等。此外，金屬中心的配位數決定了催化性能，如具有較高配位數的SACs顯示出較高的OER活性，而具有較低配位數的SACs可改善HER活性。通過調節催化劑與被吸附物之間的界面電子耦合效應來降低活化勢壘將成為未來一個有趣的熱點。通過理論指導，金屬載體相互作用效應已經成功地指導了各個領域的SACs設計，如 ORR、HER、OER 等。先進能源轉換材料的理論預測和指導方法還應該發散到其它應用中，如CO氧化、甲烷活化、選擇性加氫、乙烯環氧化等有意義的有機催化反應。另外，其應用領域還需要擴展到其它與能源相關的裝置和反應中，如鋰硫電池、超級電容器、光伏器件、環境催化中，這將使世界變得更加有趣和多彩。
Hongyu Jing,?Peng Zhu,?Xiaobo Zheng, Zedong Zhang, Dingsheng Wang,* and Yadong Li. Theory-oriented screening and discovery of advanced energy?transformation materials in electrocatalysis [J]. Advanced Powder Materials.DOI:?10.1016/j.apmate.2021.10.004
https://pan.baidu.com/s/1jARVE2e5rXUNWEe5f1Rzzg?
王定勝，1982年出生。2004年于中國科學技術大學化學物理系獲理學學士學位。2009年于清華大學化學系獲理學博士學位。2009至2012年在清華大學物理系從事博士后研究。2012年7月加入清華大學化學系，被聘為講師，2012年12月，晉升為副教授。2015年獲博士生導師資格。研究領域為無機納米材料化學，自2009年博士畢業以來，一直以無機納米合成化學為基礎，主要從事金屬納米晶、團簇及單原子為主的無機功能納米材料的合成、結構調控與催化性能研究。2012年獲全國優秀博士學位論文獎。2013年獲國家優秀青年科學基金。2018年獲青年拔尖。發表學術論文100余篇，含1篇Nature Chem.、1篇Nature Nanotech.、2篇Nature Catal.、12篇Nature Commun.、14篇J. Am. Chem. Soc.、18篇Angew. Chem. Int. Ed.、13篇Adv.?Mater.等。?
作者ORCID鏈接:?https://orcid.org/0000-0003-0074-7633
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