面向应用的高性能电催化拓扑材料的设计与模拟

Topological materials, possessing the specific topological surface or edge states and the high carrier mobility without the influence from intrinsic morphology, defects and extrinsic impurities, show great potential in the field of electrocatalytic reaction. Employing first principles calculations, this project will investigate the catalytic performance of advanced topological materials in hydrogen evolution reaction (HER), oxygen evolution reaction (OER) and carbon dioxide reduction reaction (CRR). This project will also investigate the electrocatalytic performance of topological material with various defects, or topological material loading with metal cluster or single atom. Finally, the high performance topological material structures will be designed, as well as the theoretical guidance of the synthesis method in experiment. Moreover, this project will investigate the properties of electronic structure of topological materials in electrocatalytic reaction, and reveal the mechanism how electronic structure affects catalytic activity, which is the recipe for exploration of new type electrocatalyst.

拓扑材料具有独特的拓扑态以及高的载流子迁移率，且其特性并不受材料形貌、缺陷以及外部杂质的影响，在电催化领域极具应用前景。运用第一性原理计算，本项目将对拓扑材料的电催化析氢、析氧和二氧化碳还原的催化性能进行研究。通过在拓扑材料上构造缺陷，负载金属团簇或单原子等方法来深入研究拓扑材料的电催化性能。设计一种或多种高性能拓扑材料催化剂结构，为实验合成高性能催化剂提供理论指导。进一步，我们将探究拓扑材料在各类电催化反应中的电子结构性质，以揭示催化剂和催化活性之间的构-效关系，为未来新型催化剂的开发提供理论依据。

在项目运行四年期间，项目组完成了项目内容、论文发表、人才培养和学术交流等方面的预期指标。在项目研究内容方面，研究了狄拉克半金属Na3Bi、节点线半金属Cu3BN（B=Pd，Zn）、第五和六副族过渡金属硫族化合物、铋金属和石墨烯等多种拓扑材料的电催化性能，并且研究了这些拓扑材料在杂原子掺杂、外部应力、单原子负载和表面氧化等情况下活性位点的电催化性能的变化。基于研究成果，我们提出了多种改性后的拓扑材料用作高性能电化学反应催化剂，包括Pt原子掺杂后Na3Bi用于HER反应、应力调控的NbS2和TaTe2用于ORR反应、石墨烯负载的Fe-N-C配体用于ORR反应、表面氧化的铋金属片层和颗粒结构用于NRR反应。我们还研究了拓扑材料在杂原子掺杂、外部应力、单原子负载和表面氧化等情况下活性位点的电子结构，总结出多条能够用于描述拓扑材料电催化性能的本征性质用作描述符，包括Na3Bi表面电子填充功用作其电催化HER性能的描述符、应力调控下TMD材料pz轨道中心和px/py轨道中心能量差用作其电催化ORR性能的描述符、表面氧化Bi原子的6p轨道占据度用作其电催化NRR性能的描述符。以上关联“构-效”关系的描述符的提出为快速筛选高性能电催化拓扑材料提供了理论依据。在项目执行期间在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Angew. Chem. Int. Edit.、Adv. Sci.等国际著名期刊上发表SCI收录论文36篇。在项目执行期间共培养博士后3名（出站2人，在站1人），博士生4人（毕业2人，在读2人），硕士生8人（毕业4人，在读4人）。项目组成员还参加了中国材料大会、材料多尺度计算模拟会议、材料基因工程高层论坛等会议。