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电解水制氢法由于其制备方法简单、制氢纯度高、制备过程无污染等优势而备受关注，但是该方法存在一个严重的缺陷，就是缺乏低成本、高效率的析氢反应(hydrogen evolution reaction，HER)电催化剂。近年来出现了一种新型的二维(two-dimensional，2D)材料MXenes (过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物总称)，因其极好的导电性、良好的亲水性、极大的比表面积、可调节的分子结构以及多样的化学组成等优势，在电解水制氢领域得到了广泛的关注。过渡金属碳氮化物MXene，由于其独特的层状结构而兼具碳化物和氮化物MXene材料的优点，已有理论探讨了单过渡金属碳氮化物M3CNO2-MXenes材料的晶体结构以及电催化析氢性能。不过其中仅有Ti3CNO2和Nb3CNO2表现出潜在的HER催化活性，而其他的大多数单过渡金属碳氮化物的HER活性都不高。因此，需要寻找一种改性方法，来调控其HER催化活性。
武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验的李能教授课题组，提出了构建“三明治”结构的有序型双过渡金属碳氮化物M′2M″CNO2-MXenes来改善其HER催化性能的解决思路。基于密度泛函理论的计算，作者系统地研究了64种有序型的双过渡金属碳氮化物M′2M″CNO2-MXenes材料的结构特性、HER电催化性能以及相应的稳定性。作者发现构建有序构型的“三明治”结构可明显提高MXenes材料的HER催化活性。同时，基于高通量计算筛选结果，作者还发现了11种M′2M″CNO2-MXenes材料的HER催化性能甚至优于贵金属Pt。在此基础上，作者进一步分析了H覆盖率的影响以及材料的稳定性，发现Ti2ZrCNO2和Ti2NbCNO2材料具有更多的HER催化活性位点，证明了Mo2TiCNO2、Ti2NbCNO2和Ti2VCNO2在热力学和动力学上可稳定存在。最终，作者认为Ti2NbCNO2材料是最具发展前景的析氢电催化剂。他们的研究为设计M′2M″CNO2-MXenes型的优秀HER电催化剂奠定了理论基础。
该文近期发表于npj Computational Materials 7: 80 (2020)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。
Computational screening study of double transition metal carbonitrides M′2M″CNO-MXene as catalysts for hydrogen
evolution reaction 
Zhoulan Zeng, Xingzhu Chen, Kaiyi Weng, Yang Wu, Peng Zhang, Jizhou Jiang & Neng Li 
Two-dimensional (2D) transition metal carbonitrides (MXene) have attracted growing interest in electrocatalytic hydrogen production due to its structural and electronic properties. In this work, the hydrogen evolution reaction (HER) activity of all 64 O-terminated ordered double transition metal carbonitrides in the form of  M′2M″CNO2 (M′ = Ti, V,Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta; M″ = Ti, V, Cr, Zr,Nb, Mo, Hf, Ta） has been investigated by well-defined density functional theory (DFT) calculations. The results indicate that there are 11 M′2M″CNO2-MXene candidates whose HER performance is superior to that of Pt. Moreover, according to the stability screening, it is proved that Ti2NbCNO2, Mo2TiCNO2 and Ti2VCNO2 are more stable than other candidates. Especially, Ti2NbCNO2 have the potential to be perfect HER catalyst with the small Gibbs free energies of hydrogen adsorption (ΔGH) value of 0.02 eV, abundant catalytic sites on the C-side and better stability. This work paves the way on designing excellent HER catalyst candidates based on M′2M″CNO2-MXenes.
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