首先介紹一下研究背景，總所周知，燃料電池是一種環(huán)境友好的能源轉(zhuǎn)化裝置 ，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率和低污染的特點(diǎn)，有規(guī)?；瘧?yīng)用的前景，當(dāng)前制約其發(fā)展的關(guān)鍵便是其陰極氧化還原反應(yīng)的效率問題。

傳統(tǒng)的電催化材料 Pt 及其合金，具有良好的催化性能，但 Pt 類材料也有明顯的缺點(diǎn)，其中最主要的就是Pt高昂的價(jià)格與電極循環(huán)過程中的不穩(wěn)定性。

尋找替代 Pt 的電極催化材料是一個(gè)提高燃料電池工作效率的思路。在以往的研究中，科學(xué)家在尋找 ORR 電極反應(yīng)催化材料以替代價(jià)格高昂的 Pt 己經(jīng)取代了一些進(jìn)展。諸如新型石墨烯雜原子催化劑，二維結(jié)構(gòu)的黑磷，但都有或多或少的問題。

GeS 及其衍生物具有類黑磷結(jié)構(gòu)，且穩(wěn)定性更優(yōu)于黑磷，該文獻(xiàn)便集中對(duì) GeS 及其衍生物進(jìn)行 ORR 理論研究，探索其是否具有成為高效電極催化劑的潛力。

該研究使用的理論計(jì)算方法基于密度泛函理論，構(gòu)建模型時(shí)采用導(dǎo)體屏蔽模型和標(biāo)準(zhǔn)氫電極模型，主要使用的軟件包是 Materials Studio。

實(shí)驗(yàn)部分從以下五個(gè)方面逐步開展

GeS 及其衍生物的結(jié)構(gòu)和電性質(zhì)，文章基于電荷理論計(jì)算及分析，表明該材料可能作為 ORR 催化劑。

該材料對(duì)于氧氣分子的吸附解離，通過計(jì)算，得出氧氣分子結(jié)合該材料的最優(yōu)幾何構(gòu)型及其吸附能與解離能，可以看出其解離勢(shì)能在降低，故氧氣的吸附解離可正常進(jìn)行。同時(shí) SnS 由于其較低的結(jié)合能，發(fā)現(xiàn)在氧氣環(huán)境下不穩(wěn)定，故不適合作為催化劑。

該材料對(duì)于 ORR 中間體的吸附，圖示為各個(gè)中間體與該材料的吸附構(gòu)型以及其吸附能，可看出材料對(duì)于 CO 具有較低的吸附能，推測(cè)材料對(duì)于 CO 有更好的耐受性。同時(shí)文章通過模擬發(fā)現(xiàn)，GeS 在酸性介質(zhì)中具有較高的穩(wěn)定性，該催化反應(yīng)可能為四電子路徑。

ORR 機(jī)制，圖示為在酸性環(huán)境下，兩種可能的催化機(jī)理，然后是通過兩種機(jī)理所計(jì)算的反應(yīng)自由能變化，可看到反應(yīng)自由能一直在降低，該催化反應(yīng)在熱力學(xué)上可順利進(jìn)行，同時(shí)可通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直接過程的第一步反應(yīng)自由能降大于非直接過程，故該反應(yīng)機(jī)理可能為直接過程。

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超電勢(shì)的影響，文章計(jì)算了在酸性環(huán)境下各個(gè)物質(zhì)的超電勢(shì)，可看出 GeS 的超電勢(shì)略高于 Pt ,具有可以接受的超電勢(shì)影響。

最后文章得出結(jié)論，二維的 GeS 成為高效催化劑的可能最大，由于其與氧氣較大的結(jié)合能，較低的氧氣解離勢(shì)壘和可接受的超電勢(shì)影響。同時(shí)文章在堿性環(huán)境下也做了類似的分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)它們?cè)趬A性環(huán)境下都可能作為催化劑。該文章對(duì)以后的相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了前瞻性參考。

文獻(xiàn)信息：

Monolayer group IVA monochalcogenides as potential and efficient catalysts for the oxygen reduction reaction from first-principles calculations.Journal of Materials Chemistry,2017. DOI: 10.1039/c6ta08321h