高效氧还原反应(ORR)和析氧反应(OER)双功能电催化剂的研究已经有几十年的历史。同时，嵌入在二维材料衬底(2d -衬底)中的单个金属原子也已经成为一种突出的催化剂。

有鉴于此，北京科技大学刘焕明教授、西北工业大学范晓丽教授等人，模拟计算了一系列以氮掺杂的磷化硼单层（N₃-BP）作为2D基质，并以Sc，Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu，Zn，Rh，Pd，Ir和Pt作为单原子（M）的催化剂的ORR/OER效率。

本文要点

1）通过计算研究了原始BP ML，空位掺杂BP ML，氮掺杂BP ML（N₃-BP）和3d单金属原子M（M = Sc，Ti，V （Cr，Mn，Fe，Co，Ni，Cu和Zn）锚定到掺氮BP ML（MN₃-BP）上的结构，电子和磁性。发现这些M对ORR和OER的催化活性较差，但作为稳定单原子的基质却具有实用性。

2）进行比较研究的关键是催化系统费米能级附近的反应中心电子态如何与ORR/OER反应中间体的前沿轨道相匹配。密度泛函理论结果表明，对于CoN₃-BP，NiN₃-BP和PtN₃-BP，ORR/OER的过电势较低，其中{ηORR; ηOER}分别为{0.36; 0.42 V}，{0.29； 0.44 V}和{0.32; 0.25 V}。

3）通过计算揭示了锚定的M原子及其邻近的N原子的电子结构，以及它们与ORR和OER催化性能的强相关性。还计算和分析了M及其邻近N原子之间的自旋极化和铁磁耦合的影响。

总之，该工作通过单原子/2D底物设计策略预测了新型催化剂的ORR/OER催化效率。

参考文献：

Hanghang Zeng et al. Single Atoms on a Nitrogen-Doped Boron Phosphide Monolayer: A New Promising Bifunctional Electrocatalyst for ORR and OER. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020.

DOI: 10.1021/acsami.0c13597

https://doi.org/10.1021/acsami.0c13597