能源转化催化剂的探索是可持续发展的核心。实验方法和计算方法的组合可以提供对催化性能与催化剂的结构和电子性质之间内在规律的深刻见解。由于2D材料相对于3D材料具有固有的优势，包括高比表面积和丰富的表面缺陷（可提供足够的活性位点），二维材料在催化领域具有广阔的应用前景。重要的是，二维材料是最广泛的计算研究模型，它可以方便地将计算预测与实验验证联系起来。近年来，在实验中制备了更多的2D催化剂，并使用了更精确的计算方法来揭示催化性能，探索原子水平上的机理。

有鉴于此，郑州大学周震教授等人，综述了近年来2D电/光催化剂的开发和设计有关的最新进展。

本文要点

1）通过实验和计算相结合的方法，重点研究了二维催化剂的独特性能。引入了更接近实验环境的计算方法，并特别注意缩小实验和计算之间的差距。此外，还讨论了二维催化剂在计算和实验方面的挑战。

2）由于2D材料的独特性能，2D电/光催化剂近年来受到了广泛的研究和发展。独特的特性（包括高比表面积，最小的电子/空穴迁移路径，丰富的活性位点和各种修饰）赋予二维材料以高的电/光催化活性。重要的是，二维材料是连接实验结果和计算预测的方便模型，弥合实验和计算之间的差距。实验测量甚至可以给出活性位点的准确原子结构，这为计算探索结构与性质之间的关系提供了基础。目前，基于DFT计算已广泛研究了关键的描述符，尤其是中间体的吸附自由能，以评估催化性能。同时，电子显微镜技术，电化学测量和光谱表征也已用于研究化学和物理性质与催化性能之间的关系。尽管近年来在2D电/光催化剂方面取得了实验和计算上的突破，但是要进一步改善2D材料的催化性能，还需要克服许多瓶颈。

3）通常，催化过程是动态的，并且大多数催化剂在实际的催化条件下都会发生动态的结构变化。因此，应与MD模拟结合使用原位研究来捕获动态催化机理，建立可靠的结构-性质关系。此外，大多数电催化反应涉及恒电位下的固液系统。因此，应该开发超越传统CHE模型的计算方法。最近，已经开发出RexPoN反作用力场，包括键断裂（Rex），极化（Po）和非键相互作用（N），与水的DFT相比，它可以提供更高的精度。将其与量子力学相结合可以准确地包括远程相互作用和极化效应，从而在存在明确溶剂的情况下以量子力学精度进行反应性仿真。而且，很少进行电/光催化的动力学研究。MD模拟可用于探索动力学过程。然而，这些方法将是耗时的，因此平衡准确性和成本是很重要的。

参考文献：

Xu Zhang et al. 2D Materials Bridging Experiments and Computations for Electro/Photocatalysis. Advanced Energy Materials, 2021.

DOI: 10.1002/aenm.202003841

https://doi.org/10.1002/aenm.202003841