“我們在近 3000 種二維材料之中篩選出 24 種體系，這些材料有望可以有效權衡反應的活性和穩定性，也就是說它們都是高性能的二維電催化劑，有望提高電催化的整體性能。”北京化工大學郭翔宇博士表示。

他進一步介紹稱，此次發現的二維電催化劑擁有良好的穩定性、較大的活性面積、以及本征二維基面活性，同時還能保持不錯的高電化學穩定性，對于電解技術和氫燃料電池的規模化應用具有重要意義。

圖 | 郭翔宇 2023 年 4 月攝于印度尼西亞 ljen 火山

（來源：郭翔宇）

那么，這 24 種材料是如何選出來的？具體來說，郭翔宇和所在團隊提出一種數據驅動的策略，通過建立一系列設的計原理，對具有本征二維基面活性和電化學穩定性的二維材料進行高通量篩選，從而實現高效的氧還原反應和析氧反應。

研究中，他們以此前由新加坡國立大學團隊開發的二維數據庫 2DMatPedia 為基礎，通過對材料進行合成潛力分析，識別出 1411 種候選材料，這些材料有望被剝離成單層。其中，338 種材料表現出較好的導電性；50 余種材料在氧還原反應和析氧反應中的活性，超過或媲美鉑/二氧化銥的活性。

通過結合巨正則密度泛函理論計算和第一性原理的分子動力學模擬，郭翔宇和同事在反應條件之下，針對這些高活性材料可能發生的溶解和氧化問題加以研究，最終篩選出了上述 24 種材料。

日前，相關論文以《數據驅動的具有基面活性的電化學穩定的二維材料對氧電催化的追求》（Data-driven pursuit of electrochemically stable 2D materials with basal plane activity toward oxygen electrocatalysis）為題發表在 Energy & Environmental Science（IF 32.5）。

郭翔宇是第一作者，南京理工大學教授張勝利、美國波多黎各大學教授陳中方、北京化工大學教授黃世萍擔任共同通訊作者 [1]。

圖 | 相關論文（來源：Energy & Environmental Science）

從 5500 種二維材料說起

當前，隨著世界能源框架結構的不斷升級，以及自然環境保護意識的逐漸提高，發展綠色高效的清潔能源技術逐漸成為當今時代發展的重點之一。

氫作為一種重要的能量來源，憑借來源廣泛、清潔無污染、能量密度和發熱值高等諸多優點，有望解決化石燃料短缺難題和環境污染問題。

水電解技術和氫燃料電池，是實現產氫和氫轉換的重要手段。在這兩種技術中，析氧反應和氧還原反應發揮著重要作用。

例如，通過利用氧還原反應，燃料電池能將燃料和氧氣直接轉化為電能。而電解水在產生氫氣的同時，還能發生析氧反應從而產生純凈的氧氣，進而實現氧氣供應或改善空氣質量。

此外，析氧反應和氧還原反應還能用于處理和凈化廢水、廢氣等工業排放物，從而有效降低污染物濃度，以及減少對于生態系統的影響。

要想實現這兩種催化反應的高效進行，則需要設計穩定的電催化材料。

過去十年間，盡管學界已經合成多款催化劑體系，但是目前依然沒有一款催化材料能在發揮優異催化性能的同時，還能保持較低的制造成本。

21 世紀初，自從俄羅斯物理學家康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）和荷蘭物理學家安德烈·海姆（Andre K. Geim）共同發現石墨烯并獲得諾貝爾物理學獎以來，二維材料領域獲得了空前的發展。

近年來，在物理手段和化學手段的幫助之下，科學家們針對石墨烯材料進行剝離，借此得到一系列單層或少層的二維材料，并對其在物理、化學、電子信息學等方面的潛在應用加以探索。

二維材料往往具有較大的表面積，理論上能夠與反應物種進行充分接觸，從而提高催化活性的面積。正因此，二維電催化材料的設計已經成為催化劑設計領域的熱點之一。

但是，在當前的材料數據庫之中，具備層狀結構特征的二維材料已經超過 5500 種。那么，這些材料的導電性、合成性、對于氧還原反應和析氧反應的反應活性和選擇性、以及工況條件之下的電化學穩定性到底如何？這仍然是一個研究難度頗高的問題。

關注到這一問題之后，郭翔宇等人開展了本次研究。同時，此次論文也是他在讀博期間的代表作。

（來源：Energy & Environmental Science）

無懼課題“撞車”

能將論文發在 Energy & Environmental Science 上，期間可謂一波三折。整個讀博期間以及畢業后的兩年時間，郭翔宇的全部心血幾乎全部付諸于此。

2019 年 5 月，這項工作已經開展將近一年之久。有一天，郭翔宇看到 ACS?Energy?Letters 刊登了一篇類似的論文。

相比郭翔宇的研究，這篇同行論文不僅出發點相似，而且也是一項基于數據庫和面向氧還原反應/析氧反應的理論研究成果。

并且，同行的論文不僅囊括了二維材料體系，還分析了主流數據庫中的所有多元金屬氧化物。這對郭翔宇的課題原創性帶來了不小的影響。

“當我看到這篇論文之后，研究熱情一下子跌到谷底，非常擔心自己籌劃已久的課題和將近一年的努力打了水漂。但在平靜心態之后，我不斷提醒自己世界上沒有相同的兩片樹葉，同一個科研課題也可以做出不同的研究特色。”郭翔宇說。

事實上，后續在郭翔宇論文的審稿過程中，的確有幾位審稿人提到了那篇同行論文。不過，他仔細研究了同行論文的特色和局限性，并對自己的課題方向進行重新規劃。

然而，2022 年下半年郭翔宇卻收到了 Energy & Environmental Science 的拒稿通知。“而在此之前我基于審稿人的修改建議，大范圍地調整了論文行文邏輯，也補充了大量的實驗數據，但卻并沒有得到期刊的完全認可。”他說。

當時，參與這項工作的合作導師建議郭翔宇嘗試投稿其他期刊，以避免和該期刊的審稿專家發生觀點分歧。

“這對我來說是晴天霹靂，這意味著我寫的幾十頁回復信，在沒有被審稿專家評閱或否定之前，就在我們自己內部的討論中被否定了。”郭翔宇說。

自己的專長并未得到導師和領域同行的認可，這讓他開始懷疑一直以來的堅持是否有意義。

后來，郭翔宇轉念一想：“重新投稿尚且還有一絲機會，放棄則意味著機會完全等于零。”

后來，他和同事堅持將回復意見返回給 Energy & Environmental Science 編輯部。幸運的是，他們得到了之前的審稿人和新的仲裁專家的一致認可，并得到更多建設性的修改意見，這為第三次投稿和論文接收打下了鋪墊。

最終，論文得以成功發表在 Energy & Environmental Science，這給郭翔宇帶來莫大的鼓勵。原因在于，Energy & Environmental Science 是以實驗為主的期刊，過去幾年間它只收錄了極少量的計算模擬論文，純理論的催化類論文更是少之又少。

而此次論文的成功接收也間接表明，隨著高精度計算方法的不斷發展，以理論模擬為導向的催化劑設計，或能得到更多的同行認可。

不過，要想通過理論模擬手段實現高精度的預測，仍有一些難題等待攻克，比如如何破解計算方法的局限性、如何合理構建源自催化劑的模型等。

在此次工作中，郭翔宇等人發現由于析氧反應通常要在高氧化還原電位下進行，這導致絕大多數催化劑無法很好地保持表面結構的穩定性。

這意味著催化劑表面活性位點的溶解、析出、以及催化表面的氧化和重構，很可能在實際實驗和應用中更為常見。

因此，在理論模擬手段的幫助下，如何在工況條件之下構建催化表面結構，并采取合理的計算方法去理解催化活性的起源，可能是未來的發展方向之一。針對此，郭翔宇和合作者也會開展相關的嘗試。

另據悉，郭翔宇于 2021 年 6 月獲得北京化工大學的博士學位。隨后，他來到北京計算科學研究中心擔任訪問學者。

2022 年初，他來到新加坡國立大學從事博后研究，并在諾獎得主康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）的指導下參與一項合作型研究。

2023 年 6 月，郭翔宇又來到德國不萊梅大學。在德國洪堡基金會的支持之下，目前他正以洪堡學者的身份開展學術研究，并在繼續研究二維電催化劑這一方向。