研究背景
研究内容
近日，哈尔滨工业大学能源学院高继慧教授团队周伟副教授等基于密度泛函理论系统地研究了边缘掺杂取代基对 MN4 在 ORR、OER 和 HER 中电催化性能的影响，分析了不同取代基（B、N、O、S、CH₃、NO₂、NH₂、OCH₃ 和 SO）与不同金属中心（Fe、Co、Ni 和 Cu）之间的复杂相互作用，提出了基于 KNN 的机器学习模型进行定量化预测 Sub@MN₄ 体系的手段。
图文摘要：边缘掺杂取代基作为调控 M-N₄-C 单原子催化剂电催化 ORR、OER 和 HER 的新原子水平策略
该工作主要有两个创新之处：一是对 Sub@MN₄ 体系（Sub=B, N, O, S, CH₃、NO₂, NH₂, OCH₃ SO₄; M=Fe, Co, Ni, Cu）进行了广泛的研究，包括其对 ORR/OER/HER 性能的影响（图 1）、Sub 对 MN₄ 催化剂电子/几何结构的影响（图 2）、结构参数与性能之间的相关关系（图 3）；二是对将目前理论设计策略应用于具有相似性质的 Sub@MN₄ 体系的局限性进行了分析（图 4），提出了基于 KNN 机器学习模型进行定量化预测 Sub@MN₄ 体系的手段（图 5）。
图 1 边缘掺杂对 MN₄ 结构 ORR/OER/HER 性能的影响。(a) 反应中间体 *OOH 和 *OH 在 Sub@FeN₄ 催化剂上的吸附自由能呈线性相关关系；Sub@MN₄ 上 OER/ORR 路径的 (b) 自由能分布和 (c) 过电位；Sub@MN₄ 上 HER 路径的 (d) 火山图，(e) 自由能分布图，(f) 过电位。
图 2 边缘取代基配位对 MN4 结构的影响。(a) Sub@MN₄ 中 M-N 键示意图；(b) Sub@MN₄ 中 M-N 键的平均长度；(c) Sub@MN₄ 中取代基对金属中心电荷影响的示意图；(d) Sub@MN₄ 金属中心的电荷。
图 3 (a) Sub@MN4 所分析的描述符的示意图；(b) Sub@MN₄、(c) Sub@FeN₄、(d) Sub@CoN₄、(e) Sub@NiN₄、(f) Sub@CuN₄ 结构描述符的相关性分析，以及它们与真空条件下中间体吸附自由能的相关性。
图 4 原始 MN₄ 结构中 ∆G*OOH 与 (a) 金属中心电荷、(b) d 带中心和 (c) M-O 键长度的关系；Sub@MN₄ 结构中 ∆G*OOH 与 (d) 金属中心电荷、(e) d 带中心和 (f) M-O 键长度的关系；Sub@FeN4 结构中 ∆G*OOH 与 (g) 金属中心电荷、(h) d 带中心和 (i) M-O 键长度的关系。
图 5 (a) 机器学习（ML）过程的示意图，分为三个部分：数据生成、ML模型类型选择和特征重要性分析；(b) 采用 DFT 计算的 KNN 模型计算的 ∆G*OOH 和 (c) ∆G*H 的比较；(d) 各特征对 ∆G*OOH 和 (e) ∆G*H 的重要性分析。
该工作阐明了边缘掺杂取代基在 MN₄ 活性调节中的关键作用，并为这类新兴电催化剂提供设计和优化策略。该成果以“Edge-doped substituents as an emerging atomic-level strategy for enhancing M–N₄–C single-atom catalysts in electrocatalysis of the ORR, OER, and HER”(《边掺杂取代基作为调控 M-N₄-C 单原子催化剂在 ORR、OER 和 HER 电催化中的新兴原子级策略》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Nanoscale Horizons 上，并入选为 hot article。
论文信息
Edge-doped substituents as an emerging atomic-level strategy for enhancing M–N₄–C single-atom catalysts in electrocatalysis of the ORR, OER, and HER
Liang Xie, Wei Zhou*(周伟，哈尔滨工业大学), Zhibin Qu, Yuming Huang, Longhao Li, Chaowei Yang, Junfeng Li, Xiaoxiao Meng, Fei Sun, Jihui Gao and Guangbo Zhao
Nanoscale Horiz., 2025, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4NH00424H
作者简介
本文第一作者，哈尔滨工业大学能源科学与工程学院在读博士生。2020 年本科毕业于哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，同年继续在本校攻读博士学位，主要研究方向为碳基电催化氧还原体系反应/传递协同机制及强化合成方法。
相关期刊
rsc.li/nanoscale-horizons
Nanoscale Horiz.
| 2-年影响因子* | 8.0分 |
| 5-年影响因子* | 8.8分 |
| JCR 分区* | Q1 材料-多科学 Q1 纳米科学技术 Q2 化学-物化 |
| CiteScore 分† | 16.3分 |
| 中位一审周期‡ | 41 天 |
Nanoscale Horizons 是纳米科学与技术领域的领导性期刊，发表高质量、高创新性的研究成果。该期刊侧重于原创性研究，强调所发表的论文要提出新的概念或新的思维方式（概念上的进展），而不是以报道技术方面的进展为主。当然，在概念上未有创新但实现了突破性进展的杰出工作（例如材料性能突破已有纪录）也有被发表的机会。另外，该刊要求所发表的论文能引起纳米科学与技术各领域读者的广泛兴趣。该刊由英国皇家化学会同中国国家纳米科学中心共同出版。
Katharina Landfester
🇩🇪 马克斯普朗克聚合物研究所
|
|
Editorial board members
|
|
* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
† CiteScore 2023 by Elsevier
‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件
📧 RSCChina@rsc.org
