近日，我校物理与电子科学学院刘雪飞教授在能源材料领域一区TOP 期刊《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》发表题为“The Synergy of the Electric Polarization and Built-In Electric Field for Efficient OER/ORR Supported on 2D Ferroelectric TM-Gr@Ga₂O₃ Heterojunctions Using Constant-Potential Methods”的研究论文。

氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）是燃料电池、金属空气电池等清洁能源转换技术的核心反应，其动力学缓慢和高过电位问题制约了高效催化材料的开发。贵金属催化剂（如Pt、IrO₂）虽性能优异，但成本高、资源稀缺。因此，设计非贵金属催化剂并阐明催化活性提升机理是能源材料领域的难点与热点。

该研究创新性地提出利用二维材料Ga₂O₃的单层极化特性与过渡金属掺杂石墨烯（TM-Gr）构建异质结（TM-Gr@Ga₂O₃），通过第一性原理计算与微动力学模拟，系统探究了其催化OER/ORR的活性调控机制，通过研究得出如下结论。电场与极化协同效应：Ga₂O₃极化方向与异质结内建电场的协同作用显著增强界面电荷转移，优化中间体吸附强度，进而提升催化活性。当极化方向与内建电场一致时，催化剂的电荷再分布更加高效；高效催化剂筛选：通过恒电荷法和恒电势法评估了69种候选催化剂，发现TM-Gr@Ga₂O₃体系的高活性催化剂数量远超单一TM-Gr材料。其中，Co-Gr@Ga₂O₃↓、Co-Gr@Ga₂O₃↑和Ni-Gr@Ga₂O₃↑在酸/碱性条件下展现出优异性能（OER过电位低至0.23 V，ORR半波电位达0.85 V）；应变与pH调控机制：结合恒电势方法与密度泛函理论，揭示了双轴应变通过调控过渡金属键角改变催化活性位的电子结构，并系统性评估了pH环境对催化稳定性的影响，为实验合成提供了理论指导。

物质的晶体结构、层间电荷转移对比、结合能、溶解电位

物质单层体系的电极电位与总能量的二次函数关系，以及氧析出反应/氧还原反应的自由能变化随电位的变化关系。

该论文第一作者吴巷玉是刘雪飞教授指导的我校2022级物理学专业研究生。本研究获国家自然科学基金（Grant No. 12164009, 12304259）等项目资助。刘雪飞教授主要从事新能源材料相关理论计算研究，近4年来，主持国家自然科学地区、青年基金2项，省厅级项目3项，省教育厅人才团队项目1项，以第一或通讯作者发表SCI论文50余篇。

论文全文链接：https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.4c06920。